Урок 12/12. Гучність звуку. Висота й тембр звуку Мета уроку: вивчити фізичні характеристики звуку: гучність, висота й тембр. Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу. План уроку
Контроль знань 5 хв 1. Механічні коливання яких частот називаються звуковими й чому? 2. Чи може звук поширюватися у вакуумі? Чому? 3. Наведіть приклади різних звуків. Що є джерелом звуку в кожному з наведених випадків? 4. Як звук передається від джерела до приймача? Поясніть Демонстрації 6 хв 1. Запис коливань камертона. 2. Залежність гучності звуку від амплітуди коливань. 3. Залежність висоти звуку від частоти коливань. 4. Відбиття звуку. 5. Робота мікрофона Вивчення нового матеріалу 30 хв 1. Гучність звуку. 2. Висота звуку. 3. Тембр звуку. 4. Відбиття звуку. 5. Нечутні звуки Закріплення вивченого матеріалу 4 хв 1. Контрольні питання. 2. Поміркуй і відповідай. 3. Лабораторна робота № 4 «Вивчення характеристик звуку»
Вивчення нового матеріалу 1. Гучність звуку Звук, створюваний одним джерелом, відрізняється від звуку, створюваного іншим. Наприклад, кожна зі струн гітари видає звук, що відрізняється від звуку, який видається іншими струнами. Дві, здавалося б, зовсім однакові скрипки можуть звучати по-різному. При цьому звук скрипки не можна сплутати зі звуком гобоя, звук барабана — зі звуком тромбона. Ті самі звуки, створені різними людьми, відрізняються одне від одного. Все це свідчить про необхідність увести характеристики, за допомогою яких можна було б оцінювати випромінювання й сприйняття звуку. Ударимо молоточком по ніжці камертона із прикріпленим до неї вістрям і проведемо ним по закопченому склу. Ми побачимо знайомий хвилеподібний слід, зображений на рисунку.
Ударивши по вітці камертона сильніше, ми почуємо більше голосний звук, а вістря на пластинці залишить слід, що відрізняється від першого більшим «розмахом», тобто більшою амплітудою коливань. Отже, • гучність звуку визначається амплітудою коливань тіла, що звучить.
Звичайно, чим більше амплітуда звукових коливань, тим звук здається більш голосним, але гучність для звуків різних частот буде різною. Людське вухо погано сприймає звуки низьких частот (близько 20 Гц) і високих (близько 20 кгц) частот і значно краще — звуки середніх частот (від 300 Гц до 3000 Гц). Це пояснюється будовою органів слуху людини.
2. Висота звуку Якщо спеціальним гумовим молоточком ударити по «ніжках» камертона, то він буде видавати звук, що називається музичним тоном. Ми добре знаємо, що звук буває високий і низький. Як відомо, бас співає низьким голосом, а тенор — високим. Від якої ж характеристики звукової хвилі залежить висота звуку? Досліди показують, що • висота звуку визначається частотою звукової хвилі: чим більше частота хвилі, тим звук вищий.
Частота звукових коливань, створюваних музичними інструментами, може змінюватися від 20 до 4000 Гц. Писк комара відповідає 500–600 змахам його крилець за секунду, дзижчання джмеля — 220 змахам. Коливання голосових зв’язок співаків можуть створювати звуки в діапазоні від 80 до 1400 Гц, хоча в експерименті фіксувалися рекордно низька (44 Гц) і висока (2350 Гц) частоти. У телефоні для відтворення людського мовлення використається область частот від 300 до 2000 Гц. 3. Тембр звуку Звуки однакової висоти й гучності, створювані різними музичними інструментами, звучать по-різному, навіть та сама нота, узята різними співаками, звучить по-різному. Особлива якість звуку — його забарвлення, характерне для кожного голосу або музичного інструменту,— називають тембром. Тембр пов’язаний зі специфічними властивостями джерела звуку. Від чого ж залежить тембр звуку? Виявляється, що будь-яке джерело звуку (за незначних винятків, наприклад, камертона) здійснює складні несинусоїдальні коливання. Їх можна спостерігати за допомогою осцилографа. Якщо підключити мікрофон і проспівати яку-небудь мелодію, то на екрані осцилографа з’явиться не синусоїда, а складніша крива.
На рисунку показані графіки коливань повітря біля рота людини, що співає звуки «А» й «О». Зверніть увагу, що коливання повітря (і голосових зв’язок людини) є досить складними, оскільки складаються ніби з декількох коливань, що накладаються одне на одне.
Несинусоїдальне коливання може бути представлене у вигляді суми гармонічних коливань із різними частотами. Коливання з найменшою частотою називається основним тоном, а коливання з більш високою частотою називається обертоном, або гармонікою. • Тембр звуку визначає його забарвлення. Він визначається наявністю й інтенсивністю обертонів — частот, кратних основній.
Саме завдяки тембру звуки різних музичних інструментів мають різне звучання. Чим більше обертонів, тим «насиченіше», гарніше звук. Чарівний сріблистий відтінок голосів гарних співаків обумовлений саме високими обертонами. 4. Відбиття звуку Звук, поширюючись у якому-небудь середовищі, доходить до перешкоди й майже повністю відбивається. У цьому можна переконатися на багатьох дослідах. У лісі, горах, іноді в приміщеннях нам доводилося чути луну. Луна — результат відбиття звуку: звукові хвилі відбиваються від різних перешкод, навіть від хмар. Іноді можна почути навіть багаторазову луну — результат декількох відбиттів. Ці й інші досліди з механічними хвилями дозволяють сформулювати узагальнення: механічні хвилі будь-якого походження мають здатність відбиватися від границі розділу двох середовищ.
Відбиття звуку відбувається за таким самим законом, що й відбиття світла: кут відбиття дорівнює куту падіння.
5. Нечутні звуки Звук, що сприймається або чується вухом людини, має частоти в діапазоні 20–20 000 Гц. Звукові хвилі з нижчими частотами називають інфразвуком, а з вищими — ультразвуком. Інфразвук викликають, наприклад, землетруси й вібрація важких механізмів, автомобілів, тракторів і побутових приладів. Наприклад, сільськогосподарські трактори й вантажівки мають максимальні вібрації в діапазоні 1,5–3,5 Гц, гусеничні трактори — близько 5 Гц. Музичний орган так само може випромінювати інфразвук. Усілякі вибухи й обвали також можуть випромінювати звуки інфрачервоних частот.
Механізм сприйняття інфразвуку і його фізіологічної дії на людину поки повністю не встановлений. Такі звуки не чутні, проте вони чинять негативну дію на організм людини: з’являється підвищена нервозність, почуття страху, приступи нудоти. Іноді з носа й вух іде кров. Чутливі приймачі ультразвуку показали, що він входить до складу шуму вітру й водоспадів, до складу звуків, випромінюваних деякими тваринами. Ультразвукові хвилі можна одержати за допомогою спеціальних високочастотних випромінювачів. Вузький паралельний пучок ультразвукових хвиль у процесі поширення дуже мало розширюється. Завдяки цьому ультразвукову хвилю можна випромінювати в заданому напрямку. Ультразвук сьогодні широко застосовують у різних галузях. Наприклад, з його допомогою вимірюють глибину моря. З судна посилають ультразвуковий сигнал і визначають проміжок часу, що пройшов до моменту приходу сигналу, відбитого від дна. Знаючи швидкість звуку у воді, можна визначити відстань до дна. Прилад для вимірювання глибини дна називають ехолотом.
За допомогою ультразвуку «просвічують» металеві вироби для виявлення в них прихованих дефектів — сторонніх включень, тріщин або порожнин.
Ультразвук широко використовують й у медицині — як для обстеження хворого, так і для його лікування. Лікування ультразвуком засноване на тому, що він зумовлює внутрішній розігрів тканин організму.
Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу 1. Чому після того, як ми вдаримо по камертону, чутний звук? 2. З якою фізичною величиною пов’язана гучність звуку? 3. Яка фізична величина визначає висоту звуку? 4. Чим визначається відмінність тембру звуків? 5. Які явища свідчать про відбиття звуків?
Закріплення вивченого матеріалу 1. Лабораторна робота № 4 «Вивчення характеристик звуку» Можна запропонувати учням виконати вдома лабораторну роботу № 4. З цією метою необхідно роз’яснити учням хід виконання роботи: 1. Туго натягніть нитку: один її кінець прив’яжіть (до батареї опалення, дверної ручки, ніжки стола), а інший тримайте в руці. Смикніть нитку — ви почуєте звук, начебто від натягнутої струни. Джерелом цього звуку є коливна нитка.
2. Переконайтеся в тому, що зі збільшенням амплітуди коливань нитки звук голоснішає. 3. Зменште довжину нитки. Ви помітите, що звук став вище. У випадку зменшення довжини нитки (за тієї самої сили натягу) збільшується частота коливань нитки. 4. Зробіть висновки про те, як залежать гучність і висота звуку від амплітуди й частоти коливань. 5. Якщо у вас є гітара або скрипка, проведіть аналогічні дослідження, використовуючи струни інструменту. 6. Швидко проведіть яким-небудь твердим предметом по зубцях гребінця (бажано ближче до їхніх основ). Ви почуєте звук, що виникає внаслідок послідовних ударів об зубці. Чим швидше ви проводите по зубцях, тим більш висока частота цього звуку. Поясніть, із чим це пов’язано.
2. Поміркуй і відповідай 1. Чому звуки з однаковою амплітудою, але з різними частотами людина сприймає як звуки різної гучності? 2. Якщо блискавка вдарила неподалік від вас, чутний різкий однократний удар грому, а якщо блискавка була далеко, чутно тривалий гуркіт грому. Чому? 3. На чому заснована дія рупора?
3. Виконати лабораторну роботу № 4. 4. Д: Підготуватися до самостійної роботи № 5 «Механічні коливання. Звук».
Завдання для самостійної роботи № 5 «Механічні коливання. Звук» Початковий рівень 1. Підвішений на нитці вантаж здійснює малі коливання. Уважаючи коливання незатухаючими, виберіть правильне твердження. А Період коливань залежить від маси вантажу. Б Чим довша нитка, тим менше період коливань. В Вантаж здійснює періодичні коливання. 2. Виберіть правильне твердження. Які з названих властивостей характеризують поперечні хвилі? А Поперечні хвилі являють собою стиски, що чергуються, і розрідження. Б Частинки середовища зміщуються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі. В Ці хвилі можуть поширюватися тільки в газах. Середній рівень 1. Вантаж, що коливається на пружині, за 8 с зробив 32 коливання. Знайдіть період і частоту коливань. 2. Відстань до перешкоди, що відбиває звук, дорівнює 68 м. Через який час людина почує луну? Швидкість звуку вважайте рівною 340 м/с. Достатній рівень 1. а) Як зміниться період коливань математичного маятника, якщо перенести його взимку в неопалюване приміщення? б) Писк комара — звук більш високого тону, ніж гудіння джмеля. Яка із цих комах частіше змахує крильцями? 2. а) Від яких величин залежить період коливань тіла на пружині? Як зміниться період коливань, якщо збільшити масу тіла? Замінити пружину? б) При польоті багато комах видають звук. Під час польоту птахів звуку не чутно. Чому? Високий рівень 1. а) Як зміниться період коливань пружинного маятника, якщо амплітуду коливань збільшити у два рази? б) Поясніть походження звуків, що видаються живими істотами, зображеними на малюнку (квакання, дзижчання, скрекотіння).
2. а) Який фізичний зміст закладений у корейському прислів’ї: «Коли б’ють по стіні, і стеля тремтить»? Поясніть свою відповідь. б) Чому шум, створюваний поїздом, що рухається, стає особливо оглушливим, коли поїзд в’їжджає в тунель?