Методическая разработка учебного занятия по физике «Звуковая волна» (стр. 3 )

3.5. Музыкальные инструменты

Человек еще с незапамятных времен использовал явление звукового резонанса на практике, в частности в музыкальных инструментах.

Учитель просит студентов, умеющих играть на инструментах выйти и сыграть небольшую мелодию. Для объяснения принципа работы музыкальных инструментов нужна гитара, саксофон (кларнет, фагот), труба (тромбон, валторна) и гармонь (баян).

Рассмотрим гармонь. Она работает по принципу колебаний мембраны. Когда гармонист растягивает меха, воздух втягивается в инструмент через клапаны, открываемые нажатием кнопок. Каждый клапан открывает своё отверстие, над которым находится пара металлических язычков. Язычки колеблются под действием входящего/выходящего воздуха и издают звук. Высота звука зависит от размеров язычков - толщины, длины и ширины, а так же от материала, из которого они изготовлены. Т. е. гармонь работает по принципу действия наших вокальных связок.

Гитара. Гитара состоит из корпуса с декой, на которой расположены 6 струн разной толщины. Каждая струна соответствует определенному тону. Тон, который издает струна, зависит от её толщины, степени натянутости и длины. При колебании струна издает звуковую волну, соответствующую определенному тону (ноте), а дека является резонатором, усиливающим её. Так как частота волны зависит от натянутости струны, то для того чтобы настроить гитару гитарист ослабляет или наоборот натягивает струну, чтобы ноты между собой строили (был определенный интервал между частотами). Высота тона также зависит от длины струны, поэтому, когда гитаристу необходимо на данной струне взят ноту выше, чем ей соответствует, то он укорачивает колеблющуюся часть струны. На таком же принципе работают все струнные и смычковые инструменты (виолончель, скрипка, фортепиано и т. д.)

Перейдем к духовым инструментам. Рассмотрим саксофон. Он относится к тростевым инструментам. К ним также относятся кларнет, фагот, гобой. При вдувании струи воздуха в мундштук происходит вибрирование трости, которая возбуждает собственные колебания столба воздуха в канале инструмента. Т. е. трость является источником звуковых волн, а корпус инструмента резонатором. В зависимости от объема столба воздуха, возбуждается та или иная частота, причем, чем больше объем, тем меньше частота и, следовательно, высота звука. Поэтому для того, что взять ноту ниже, саксофонист закрывает клапаны, увеличивая объем столба воздуха, при открывании клапанов, высота звука увеличивается, вследствие уменьшения объема.

Рассмотрим тромбон. Он относится к медно духовым инструментам. Вместо трости источником колебаний являются губы музыкантов. При вдувании струи воздуха тромбонист перемещает кулису, тем самым изменяя объем столба воздуха, а, следовательно, и высоту ноты. Труба тоже относится к медно духовым инструментам, но характерным её отличием является отсутствие кулисы и присутствие лишь трех клапанов (у саксофона их больше 20). Поэтому для того чтобы трубач мог играть больше чем три ноты он использует не только связь объема столба воздуха и частоты звука, но и частоты со скоростью потока воздуха. Чем больше скорость, тем выше звук, поэтому для увеличения высоту тона трубач увеличивает скорость вдуваемого воздуха, уменьшая щель между губами.

Демонстрация опыта 6. Возьмем камертон, ударим по нему. Он издает определенный тон. Его звучание очень бедное и с музыкальной точки зрения

не интересное. Сыграем одну ноту на саксофоне. Звук его очень красив и сразу слышно, что по составу он сложнее, чем звук камертона. Можно сделать вывод, что наряду с основным тоном присутствуют другие, но с меньшей амплитудой (обертоны).

Проверим нашу догадку. Получим временную развертку звуковых колебаний саксофона с помощью программы виртуальный осциллограф. Можно видеть, что колебания не гармонические, а искажены, т. е. присутствует наложение других гармоник на основной тон. Получим временную развертку и для других инструментов: гитары, трубы и т. д. Можно видеть, что картина одной и той же ноты разная для разных инструментов. Имея одинаковую частоту и примерно одинаковую громкость, эти звуки отличаются друг от друга специфическим оттенком. Музыканты это особое качество звука называют тембром (слайд 4).

Так в случае гитары при колебании струны вместе с основным тоном возбуж­дается много различных обертонов. Тембр звука определяется числом обертонов и их амплиту­дами. Причем частота обертонов кратна основной частоте. Именно по тембру мы различаем звуки одинаковой вы­соты: человеческий голос, свист, звук струны рояля или клар­нета.

Как раз наличие обертонов делает звучание музыкальных инструментов неповторимым и очень красивым.

3.5.Фигуры Хладни

Рассмотрим опыт, который проводил немецкий ученый Эрнст Хладни в конце XVIII века. Этот опыт не имел большого прикладного и теоретического значения, но благодаря этому многие физики занялись акустикой. Что привело, в конце концов, к большим открытиям.

Демонстрация опыта 7. На тонкий диск насыплем мелкий песок. Проведем по краю смычком скрипки. Звуковые волны, пробегая по диску, создают рисунок (узор). Разные звуки – разный узор. Под воздействием звука, давления звуковых волн и вибраций, беспорядочная россыпь песка на листе стекла или другой пластине начинает выстраиваться в точные геометрические орнаменты. Причем, форма рисунка напрямую зависит от частоты звука. Такие фигуры называются фигурами Хладни (слайд 5).

Объяснение: На диске возникают так называемые стоячие волны (аналог колебаний струны). У стоячих волн есть узлы (точки, которые не колеблются) и пучности (точки, в которых колебания максимальны по амплитуде). Если лист посыпать песком, он будет перемещаться из пучностей в узлы и в результате весь соберется в узлах, а в пучностях его не останется. Так возникают причудливые картины. Общий рисунок зависит от формы пластины, положения опор и частоты вибрации (слайд 19).

3.6. Практическое применение звуковых волн в медицине

Доклад студента на тему «Использование ультразвука в медицине» с использованием презентации. Приложение 2.

4. Творческая самостоятельная работа

Мы проанализировали физику музыкальных инструментов и поэтому можно попробовать самим смастерить их из подручных материалов. Преподаватель раздает студентам, разбившимся на 3 группы, предметы из которых необходимо сделать инструменты деревянно-духовые, ударные, струнные и сыграть незамысловатую мелодию. Для совершения проб и ошибок материалы дублируются.

Рекомендации к выполнению задания:

- Самыми простыми инструментами являются ударные.

- Для создания флейты необходима полая трубка с одним закрытым концом. Необходимо сделать отверстие для вдувания струи воздуха и отверстия для пальцев (5 – 9). Для точного вырезания отверстий необходимо использовать программу «Музыкальный тюнер», с помощью которого необходимо «установить» первые две ноты. Так же необходимо учитывать, что отверстия для пальцев находятся на одинаковом расстоянии.

- Кларнет делается также как и флейта, только к одному из концов трубки присоединяется мундштук от саксофона (поэтому трубка должна иметь оба открытых конца).

- Ксилофон можно сделать из кусков одного и того же материала (металл, дерево, керамика), отличающихся по длине. Причем длины должны быть пропорциональны. Для подстройки нужно использовать программу «Музыкальный тюнер».

- Ксилофон можно сделать и из одинаковых бутылок, в которые налита вода разного объема.

- Так же можно сделать горн из овощей.

5. Закрепление изученного материала

5.1. Фронтальный контроль по вопросам

1. Каково условие получения звуковых волн?

2. Почему летящего комара слышим, а птицу нет?

3. Механические колебания каких частот называются звуковыми? ультразвуковыми? инфразвуковыми?

4. Какое насекомое чаще машет крыльями в полете: шмель или муха? Почему вы так считаете?

5. Какое выражение верно?

всякое колеблющееся тело звучит;

всякое звучащее тело колеблется.

6. Некоторые солдаты, впервые попав в боевую обстановку, “кланяются” пулям – нагибаются, услышав звук летящей пули. На сколько это разумно?

7. Что является самым лучшим звукоизолятором?

8. Почему бесшумен полёт бабочки?

9. Когда прислушиваются к отдалённому шуму, то невольно открывают рот. Почему?

10. Можно ли исполнять мелодию на одной струне?

11. Можно ли в открытом космосе поддерживать связь с помощью звуковых сигналов?

12. Как изменится длина звуковой волны при переходе из воздуха в воду?

5.2. Актуализация полученных знаний в форме тестирования

Приложение 3.

5.3. Решение задач

1.Звук выстрела пушки дошел до наблюдателя через 30 с после того, как была замечена вспышка. Расстояние между пушкой и наблюдателем 10 км.
Какова скорость звука в данном случае?

2.Скорость звука была впервые измерена французским ученым Био Жаном Батистом. У одного конца чугунной трубы ударяли в колокол, у другого конца наблюдатель слышал два звука: сначала один, пришедший по чугуну, а спустя некоторое время второй — по воздуху. Длина трубы была 930 м, промежуток времени между распространением звуков оказался равным 2,5 с. Найдите по этим данным скорость звука в чугуне. Скорость звука в воздухе принять равной 340 м/с. Определите длину звуковой волны, которая распространяется в чугуне, если частота колебаний равна 4 кГц.

3.Определите скорость звука в воде, если источник звука, колеблющийся с периодом 0,002 с, возбуждает в воде волны длиной 2,9 м.

6. Подведение итогов урока

Сегодня на занятии мы всесторонне рассмотрели один из видов механических колебаний – звуковую волну. Определили его характеристики, связали их с субъективными характеристиками звука. Изучили явление звукового резонанса и его практическое применение не только в практической деятельности человека, но и в биологической деятельности млекопитающих. Определили роль звука в диагностике заболеваний.

Заключение

Надеюсь, что данная методическая разработка поможет преподавателям при изучении данной темы.

Изучение применения УЗИ поможет в дальнейшем при рассмотрении принципов работы магниторезонансных томографов, принципов лучевой терапии и применения рентгена в медицине, так как имеют схожие основы работы. Физика слухового и голосового аппарата поможет обучающимся в дальнейшем понимать, что человеческий организм построен на законах физики. Студенты уяснят, что в любой области человеческой деятельности человек применяет законы физики.