Методическая разработка учебного занятия по физике «Звуковая волна» (стр. 4 )

Список литературы

1. Физика. 10 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / , , ; под ред. , . - 18-е изд. - М.: Просвещение, 2013. - 366 с.

2. Физика. Задачник. 10-11 кл.: пособие для общеобразоват. учреждений / . - М.: Дрофа, 2013. - 188 с.

3. Физика. 11 кл. Профильный уровень: учебник для общеобразовательных учебных заведений/ . -7-е изд., доп. - М.: Дрофа, 2013 г.

4. Алдошина акустика: Учебник для высших учебных заведений/ И. Алдошина, Р. Приттс. - СПб: Композитор, 2013. - 720 с.

5. Эрбштейн , физиология и гигиена дыхательных и голосовых органов: Курс для певцов и ораторов/ . - 2-е изд.. - М.: ЛИБРОКОМ, 2013. - 216 с.. - (Музыка: искусство, наука, мастерство)

6. Кузнецов музыкальных инструментов. М.: Легпромбытиздат, 1989. – 368 с.

7. , , Широкова приборы, аппараты, системы и комплексы. Технические методы и аппараты для экспресс-диагностики. - Казань : Изд - во Казан. гос. техн. ун - та, 2011.-176 с.

Приложение 1

Устройство слухового аппарата

Ухо. Орган слуха и равновесия; в его функции входит восприятие звуковых волн и движений головы. Воспринимающий аппарат уха представлен сложной структурой, заключенной внутри самой твердой кости организма – височной. Наружное ухо лишь концентрирует звуковые волны и проводит их к внутренним структурам. В плотной кости внутреннего уха находятся два чрезвычайно чувствительных образования: улитка, собственно орган слуха, и вставленный в нее перепончатый лабиринт – один из источников нервных сигналов в центральной нервной системе, благодаря которым поддерживается равновесие тела (слайд 2).

Анатомия уха. Анатомически ухо делится на три части: наружное, среднее и внутреннее ухо (слайд 3).

Наружное ухо. Выступающая часть наружного уха называется ушной раковиной, ее основу составляет полужесткая опорная ткань – хрящ. Отверстие наружного слухового прохода расположено в передней части ушной раковины, а сам проход направлен внутрь и слегка вперед. Ушная раковина концентрирует звуковые колебания и направляет их в наружное слуховое отверстие.

Среднее ухо, включающее барабанную полость и слуховую (евстахиеву) трубу, относится к звукопроводящему аппарату. Тонкая плоская мембрана, называемая барабанной перепонкой, отделяет внутренний конец наружного слухового канала от барабанной полости – уплощенного, прямоугольной формы пространства, заполненного воздухом (слайд 4). В этой полости среднего уха находится цепочка из трех подвижно сочлененных миниатюрных косточек (слуховых косточек), которая передает колебания от барабанной перепонки во внутреннее ухо. В соответствии с формой, косточки называются молоточек, наковальня и стремя.

Молоточек своей рукояткой прикреплен к центру барабанной перепонки при помощи связок, а его головка соединяется с наковальней, которая, в свою очередь, прикреплена к стремени. Основание стремени вставлено в овальное окно – отверстие в костной стенке внутреннего уха. Крошечные мышцы способствуют передаче звука, регулируя движение этих косточек (слайд 5).

Внутреннее ухо. Костная полость внутреннего уха, содержащая большое число камер и проходов между ними, называется лабиринтом. Он состоит из двух частей: костного лабиринта и перепончатого лабиринта. Костный лабиринт – это ряд полостей, расположенных в плотной части височной кости; в нем различают три составляющие: полукружные каналы – один из источников нервных импульсов, отражающих положение тела в пространстве; преддверие; и улитку – орган слуха.

Перепончатый лабиринт заключен внутри костного лабиринта. Он наполнен жидкостью, эндолимфой, и окружен другой жидкостью – перилимфой, которая отделяет его от костного лабиринта.

Улитка и кортиев орган. Название улитки определяется ее спирально извитой формой. Это костный канал, образующий два с половиной витка спирали и заполненный жидкостью. Внутри, на одной стенке спирального канала по всей его длине расположен костный выступ. Две плоские мембраны идут от этого выступа к противоположной стенке так, что улитка по всей длине делится на три параллельных канала. Два наружных называются лестницей преддверия и барабанной лестницей, они сообщаются между собой у верхушки улитки. Центральный спиральный канал улитки оканчивается слепо, а начало его сообщается с мешочком. Спиральный канал заполнен эндолимфой, лестница преддверия и барабанная лестница – перилимфой. Перилимфа имеет высокую концентрацию ионов натрия, тогда как эндолимфа – высокую концентрацию ионов калия. Важнейшей функцией эндолимфы, которая заряжена положительно по отношению к перилимфе, является создание на разделяющей их мембране электрического потенциала, обеспечивающего энергией процесс усиления входящих звуковых сигналов.

Лестница преддверия начинается в сферической полости – преддверии, лежащем в основании улитки. Один конец лестницы через овальное окно (окно преддверия) соприкасается с внутренней стенкой заполненной воздухом полости среднего уха. Барабанная лестница сообщается со средним ухом с помощью круглого окна (окна улитки). Спиральный канал улитки отделяется от барабанной лестницы основной (базилярной) мембраной, которая напоминает струнный инструмент в миниатюре. Она содержит ряд параллельных волокон различной длины и толщины, натянутых поперек спирального канала, причем волокна у основания спирального канала короткие и тонкие. Мембрана покрыта рядами чувствительных, снабженных волосками клеток, составляющих кортиев орган, который выполняет высокоспециализированную функцию – превращает колебания основной мембраны в нервные импульсы. Волосковые клетки связаны с окончаниями нервных волокон, по выходе из кортиева органа образующих слуховой нерв (улитковую ветвь преддверно-улиткового нерва) (слайд 6).

Принцип работы уха. Звуковые волны вызывают колебания барабанной перепонки, которые передаются по цепи косточек среднего уха (слуховых косточек) и достигают внутреннего уха в виде колебательных движений основания стремени в овальном окне преддверия. Во внутреннем ухе эти колебания распространяются как волны давления жидкости через лестницу преддверия к барабанной лестнице и по спиральному каналу улитки. Смысл наличия среднего уха в том, что колебания воздуха слишком слабы, чтобы напрямую колебать жидкость, и среднее ухо вместе с барабанной перепонкой и перепонкой внутреннего уха составляют гидравлический усилитель - площадь барабанной перепонки во много раз больше перепонки внутреннего уха, поэтому давление (которое равно F/S) усиливается в десятки раз.

Во внутреннем ухе по всей его длине мембрана напоминающая струну, жесткая к началу уха и мягкая к концу. Определенный участок этой мембраны колеблется в своём диапазоне, низкие частоты - в мягком участке ближе к концу, самые высокие - в самом начале. Вдоль этой мембраны расположены нервы, которые воспринимают колебания и передают их в мозг (слайд 8).

Приложение 2

Использование ультразвука в медицине

УЗИ (ультразвуковое исследование) – это исследование состояния органов и тканей с помощью ультразвуковых волн. Проходя через ткани, а точнее через границы между различными тканями, ультразвук отражается. Специальный датчик фиксирует эти изменения, которые и являются основой изображения.

Ультразвуковая диагностика позволяет в короткие сроки и без вреда для здоровья выявить и дифференцировать заболевания как на ранних стадиях, когда внешних проявлений болезни еще нет, так и на более поздних стадиях (слайд 2, 3).

Физическая основа УЗИ — пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды — прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приёмником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим датчиком.

Все ультразвуковые датчики делятся на механические и электронные. В механических сканирование осуществляется за счет движения излучателя (он или вращается или качается). В электронных развертка производится электронным путем. Недостатками механических датчиков являются шум, вибрация, производимые при движении излучателя, а также низкое разрешение. Механические датчики морально устарели и в современных сканерах не используются. Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики или трансдюсоры ультразвуковых аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа (слайд 4).

Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения вещества.

Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости ультразвука. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая — отражается. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше, тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом.

В простейшем варианте реализации метод позволяет оценить расстояние до границы разделения плотностей двух тел, основываясь на времени прохождения волны, отраженной от границы раздела. Более сложные методы исследования (например, основанные на эффекте Допплера) позволяют определить скорость движения границы раздела плотностей, а также разницу в плотностях, образующих границу.