ИНТЕГРИРОВАННЫЙ УРОК ФИЗИКА, МАТЕМАТИКА, БИОЛОГИЯ Тема урока «Звуковые волны» Цель урока: формирование понятия звука с физиологической, физической, математической точек зрения. Задачи урока: 1) образовательные: - сформировать понятия: звуковая волна, источник и приемник звука; - обеспечить усвоение условий необходимых для возникновения звуковой волны, определения направления распространения звука, механизма восприятия звука человеком; - сформировать на уровне понимания понятия: порог слышимости, порог болевого ощущения; 2) воспитательные: - содействовать в ходе урока формированию мировоззренческих понятий: причинно-следственных связей, познаваемости природы; - способствовать эстетическому воспитанию учащихся; - воспитывать интерес к предмету через практическую значимость изучаемого материала; - обеспечивать благоприятную психологическую обстановку на уроке, мотивацию учащихся к учебной деятельности (через посильность заданий и ситуации успеха); 3) развивающие: - продолжить развитие речи, мышления, внимания; - формирование навыков учебной работы; - обеспечение межпредметных связей между физикой, биологией, математикой. Тип урока: урок изучения новых знаний. Продолжительность урока: 90 минут Методы: словесные, наглядные, проблемно-поисковые, наблюдение. Технология: ИКТ при изучении нового материала и закреплении. Оборудование: ПК, мультимедиа проектор, электронная презентация (ЭП) «Звуковые волны», « Инфразвук, ультразвук», камертон, линейка с тисками. Ход урока I. Организационная часть. (1 мин) Приветствие, проверка посещаемости. II. Изучение нового материала.(30мин) Преподаватель физики. Мы живем в мире самых разнообразных звуков, звуки нас окружают всегда и везде: тиканье часов и гул моторов, шелест листьев и завывание ветра, раскаты грома и журчание ручейка, пение птиц и голоса людей, звучание музыкальных инструментов и устройств. Что же такое звук? Как он возникает? Чем один звук отличается от другого? Сегодня на уроке мы с вами попробуем ответить на эти и многие другие вопросы, связанные со звуковыми явлениями. Итак, тема урока « Звуковые волны» Преподаватель физики: Раздел физики, изучающий звуковые явления называется акустикой. (Слайд 2) Акустика – это раздел физики, занимающийся изучением звука, его свойств и звуковых явлений. Основным объектом изучения акустики является звук. Звук … Что же это такое? (Слайд 3) Любой уголочек окружающего нас пространства наполнен звуками. Особенно их много в городе. Какие звуки можно услышать на улице? Ответы студентов: (Звуки проезжающего транспорта, сигналы машин, речь и крики людей, звуки насекомых, животных…) Преподаватель физики. Понятие звука можно рассматривать с двух сторон: - со стороны биологии (физиологии), - со стороны физики. Давайте попробуем дать определение звуку с позиций двух наук. (Звук это то, что мы слышим; звук – это волна (при необходимости наводящие вопросы.) (Слайд 4) Звук – это то, что слышит ухо (физиология). Звук – это механическая волна (физика). Преподаватель физики: Любая ли механическая волна является звуком? (Нет.) Проведем опыт с линейкой, зажатой в тиски. В каком случае мы слышим звук? Почему? Если отклонить верхний конец линейки и отпустить, то линейка начнет колебаться, но звук мы не услышим. Если же мы уменьшим длину линейки, то она начинает издавать звук, потому что колебания учащаются. (Длинная линейка совершает колебания, которые не дают звука, а при колебаниях короткой линейки возникает звук. Частота колебаний короткой линейки выше, чем длинной.) (Слайд 5) Вывод: человек слышит звук, если колебания происходят… а) с любой частотой, б) с определенной частотой. Чему же равна эта определенная частота? (Работа с содержанием слайда 6.) Дать определение звуку, инфразвуку и ультразвуку. Звук - это механическая волна с частотой от 20 до 20000 Гц. Инфразвук - это акустическая волна с частотой меньше чем 20 Гц. Ультразвук - это акустическая волна с частотой больше чем 20000 Гц. Преподаватель физики: Слышит ли человек инфра и ультразвуки? (Нет.) А другие живые существа? (Да. Например, летучие мыши, дельфины.) (Слайд 8) Студенты Показ презентаций о инфразвуке и ультразвуке ( Слайд 9) Преподаватель биологии: Любой источник звука обязательно колеблется. Звук распространяется в пространстве только при наличии упругой среды, которая необходима для передачи колебаний от источника звука к приемнику, например к уху человека. Колебания источника звука создают в окружающей среде звуковую волну, которая распространяется в пространстве от источника звука. При своих колебаниях тело попеременно то - сжимает слой воздуха, прилегающий к его поверхности, то, наоборот, создаёт разряжение в этом слое. Волна, достигая уха, воздействует на барабанную перепонку, заставляя ее колебаться с частотой источника звука. Сообщение о способностях уха человека воспринимать звуки (из биологии). Показ видеофильма. Преподаватель физики. Какие же условия необходимы для возникновения звуковой волны? (Слайд 10) Для возникновения звуковой волны необходимы: - источник волны, - упругая среда. А что может быть источником звуковой волны? (Слайд 10) (Приводят примеры источников звука, обобщая их, делают вывод.) Студенты: Источником звука может быть: -колеблющиеся тела (примеры), - тела, движущиеся в газах и жидкостях с большой скоростью (свистят в полете пуля и стрела, завывает ветер…) Преподаватель биологии: Рассмотрим источник звука человека: гортань. Гортань представляет из себя широкую трубку, суженную по середине. В узкой части гортани находятся голосовые связки. Связки могут сближаться и натягиваться, то есть изменять размер щели, которая образуется между ними. Когда человек молчит и спокоен, связки разведены. Если человек начинает говорить, то края щели вибрируют, то есть колеблются. Вывод: Итак, для существования звука необходимы: источник звука, упругая среда, частота от 20 до 20кГц, интенсивность. Преподаватель физики: Источники звука бывают естественные и искусственные. Искусственным источником звука является камертон. (Слайд 11- 12) Выступление студент 1: Камертон был изобретен в начале VIII века для настройки музыкальных инструментов. Он состоит из V-образной трубки и резонаторного ящичка, который открыт с одного торца для усиления звука. При ударе резиновым молоточком камертон издает чистый, но негромкий звук частотой 440 Гц. (Слайд 12) Демонстрация студента, показать опыт с камертоном. Выступление студент 2: Мощным естественным источником звука является грозовой разряд. Рядом с каналом грозового разряда воздух нагревается до высокой температуры и его расширение приводит к образованию ударной волны. Это волна постепенно переходит в звуковые колебания. (Слайд 13) Преподаватель физики. В каких средах может распространяться звук? (В газообразных, жидких, твердых; приводят примеры.) ( слайды 14-17) Студент1: Из истории открытия скорости звука. Скорость звука в воздухе впервые была определена в 1708 году английским ученым Уильямом Деремом. В двух пунктах, расстояние между которыми было известно, стреляли из пушек. В обоих пунктах измеряли промежутки времени между появлением огня при выстреле и моментом, когда слышался звук выстрела. Скорость звука в воздухе 340 м/с. (слайд 10). Студент 2: Приложите ухо к рельсам, и мы услышим шум приближающегося поезда значительно раньше. Значит, металл проводит звук лучше и быстрее, чем воздух. Давно замечено хорошее распространение звука и по земле. Перед Куликовской битвой князь Дмитрий Донской сам выехал на разведку в поле и, приложив ухо к земле, услышал конский топот приближающихся татарских полчищ. Бетховен, оглохнув, слушал игру на рояле, приставив к нему одним концом свою трость, другой конец которой он держал в зубах. Здесь проводником звука было дерево. Студент 3: Вода тоже хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчетливо слышать, как стучат друг о друга камни, как шумит во время прибоя галька. Рыбы слышат шаги и голоса людей на берегу, это хорошо известно рыболовам. Преподаватель физики: итак звуковая волна распространяется во всех средах (работаем по таблице, слайд) - Как вы думаете, зависит ли скорость звука от температуры среды? Почему? Вывод. Студент: Скорость звука в теплом воздухе несколько больше, чем в холодном. Скорость распространения в твердых телах больше, чем в воздухе. Звуковые волны в жидкостях всегда распространяются лучше, чем в газах. Механические волны бывают двух видов. - К какому виду механических волн относятся звуковые? (Звуковые волны являются продольными. ( слайд 16) В твердых средах звуковые волны могут быть и поперечными Работа по таблице. Итак, в какой среде звук распространяется быстрее? (слайд 17) Преподаватель физики: -А вакууме звук слышим? Показ видеофильма звук в вакууме. (слайд 18) Преподаватель биологии: Твердые тела хорошо проводят звуковые волны, на этом принципе основано обучение глухих людей игре на музыкальных инструментах и танцам. Вибрация пола, корпуса музыкального инструмента позволяет глухим людям распознавать музыкальные такты и даже ноты. Рассказывают, что, когда Бетховен потерял слух, он, тем не менее, слушал игру на рояле, но для этого прижимал один конец трости к роялю, а другой – сжимал зубами. Здесь проводником звука было дерево. Преподаватель физики: Искусственным приемником звуковых волн является – микрофон. Он преобразует механические звуковые колебания в электрические. Преподаватель биологии: Естественным приемником звуковых волн является ухо.(Послушаем студентов) Студент 1. Строение уха (слайд 19) Ухо состоит из 3 частей. Наружное ухо (ушная раковина – резонатор), оканчивающееся барабанной перепонкой; мышца, натягивающая барабанную перепонку, не имеет кровеносных сосудов (если бы в ней циркулировала кровь, то мы слышали бы, как она протекает по сосудам). Студент 2. Среднее ухо, которое с помощью 3-х косточек: молоточка, наковальни и стремечка, передает колебания барабанной перепонки внутреннему уху. Студент 3. Внутреннее ухо или лабиринт состоит из полукружных каналов и улитки. Улитка является звуковоспринимающим аппаратом. Внутреннее ухо заполнено лимфой, приводимой в движение ударами стремечка по перепонке, затягивающей овальное окошечко в костяной коробочке лабиринта. На перегородке, делящей улитку на две части, по всей ее длине расположены поперечными рядами тончайшие нервные волокна постепенно возрастающей длины. Эти волокна превращают звуковую энергию в электрические сигналы, которые поступают в мозг и воспринимаются нами в виде звука. Преподаватель биологии: Процесс восприятия ухом звуковых волн основан на явлении акустического резонанса. Впервые это было обосновано Гельмгольцем. Согласно этому явлению частота колебаний источника с помощью звуковой волны передается барабанной перепонке, возбуждая в ней колебания той же частоты. ( слайд 20) Вопросы к картинкам. (Работа со слайдом 21) Преподаватель математики: 1.Зачем человеку 2 уха? (Чтобы определять направление звука, это обеспечивается разностью хода звуковой волны; которая составляет 1 см, а временной промежуток при этом 3*10-5с.) 2.Почему после вращения тела человека (качели, танцы, и т. д.) все кружится в голове? (Результат того, что в полукружных каналах по инерции продолжается движение лимфы.) 3. Почему при постукивании пожилым учителем мелом по доске обучюащиеся затыкают уши? (Разное восприятие громкости звука в разном возрасте.) Преподаватель физики: Итак, основные характеристики звука: громкость, высота, тембр (показ видеофильма) слайд 22 Звук – это продольная волна. Значит для определения скорости звука, можно использовать формулы, связанные с длиной волны и частотой. ( слайд 23-24 ). Разность фаз колебаний в точках, находящихся на расстоянии, равном длине волны, равна 2П. Преподаватель физики: Как вы думаете, что влияет на высоту звука? Качественная задача: -Кто чаще взмахивает крылышками при полете бабочка или стрекоза?(стрекоза, т.к. частота взмаха крыльев больше, чем у бабочки, поэтому высота звука выше). Преподаватель математики: Многие из вас, вероятно, ни один раз с начала урока подумал о том, что здесь делаю я и какое отношение математика имеет к звуку.( слайд 25- 26) Мы говорили с вами о том, что звук воспроизводится, предаётся и воспринимается в виде волны. На физике вы будете находить амплитуду, частоту и период этих волн. Как это сделать? Звук не имеет ни вкуса, ни цвета ни запаха. Как же быть? Экспериментально было доказано, что любая волна, которую бы мы не рассматривали, похожа на другую. Сейчас мы с вами научимся графически представлять колебательные движения. Мы с вами посмотрим график функции у = sin x. Этот график называется синусоидой, а значит, что график любого колебательного движения, включая звуковые волны, являются синусоидой. Гармонические колебания – это колебания, происходящие по закону синуса и косинуса. уравнение гармонических колебаний. Преобразования тригонометрических функций. Вывод: Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону воспринимаются человеком как музыкальный звук, или тон. Закрепление задачей: Уравнение х=0, 04 соs10Пt ( слайд 26). Преподаватель биологии. Ухо является исключительно чувствительным органом. Ухо воспринимает звуковую волну, благодаря давлению, которое оказывает волна на барабанную перепонку. Человек способен воспринимать звук при давлении звуковой волны, равном 10-6 Па. Чувствительность уха к разным частотам различна. Звуковые волны, как и все механические волны, являются переносчиками энергии. Впервые эта энергия была рассчитана русским ученым Н.А. Умовым. Преподаватель биологии: Чтобы вызывать звуковое ощущение, волна должна превышать порог слышимости (минимальная интенсивность звуковой волны). Для разных людей порог слышимости неодинаков, с возрастом он изменяется. При очень большой интенсивности волны, она перестает восприниматься ухом как звук и вызывает ощущение давящей боли (контузия, разрыв барабанной перепонки). Эта максимальная интенсивность называется порогом болевого ощущения. Интенсивность звука чаще всего оценивается по громкости, которая измеряется в белах (Б), а точнее децибелах. Весь диапазон воспринимаемых ухом звуковых волн соответствует громкости от 0 до 130 дБ. Анализ шкалы громкости. Шум – это громкие звуки разных частот, слившиеся в нестройное звучание. Диапазон слышимых звуков. ( Слайд 27-30) Студент 1: сильный рев поп – рок музыки, которому часто подвергается молодежь, не только оглушает. На концертах рок- групп происходят контузии звуком, звуковые ожоги, потеря слуха, памяти. Во время концерта Пола Маккартни в Венеции в 1979 году от рева динамиков рухнул деревянный мост, во время выступления ансамбля Пинк Флойд в Шотландии начал разрушаться каменный мост. Когда тот же ансамбль давал концерт на природе, в близлежащем озере сдохла вся рыба. А фестиваль панк - групп в Нидерландах тамошняя сейсмическая служба приняла за землетрясение. - Что уж говорить об организме человека? Преподаватель физики: Сейчас мы посмотрим, какими же свойствами обладают звуковые волны. Демонстрация опыта: Положив звенящий будильник в коробку, мы слышим звук. Стоит только поверх будильника положить кусок ваты, как звук становится неслышным. ( слайд 31) Почему так происходит? Преподаватель физики: Мягкие, пористые тела – плохие проводники звука. Звуковые волны в них затухают, поглощаются. Это свойство звуковых волн называется поглощение. Какие вы можете предложить способы защиты своей квартиры от шума? Преподаватель физики: Вторым свойством звуковой волны является отражение. Преподаватель математики: Никто его не видывал, а слышать - всякий слыхивал, -Без тела, а живёт оно, без языка – кричит. -О каком явлении говорится в стихотворении? . Эхо. Представьте, что вы оказались в горах и на поле. Качественные задачи: 1. На какой местности горной или равнинной возникнет эхо? 2.Почему эхо не возникает в маленькой, заполненной мебелью комнате, но возникает в большом полупустом зале? Преподаватель физики: Что такое эхо? Как возникает эхо? Преподаватель биологии: Почему мы не слышим эхо в нашем классе? -А что препятствует образованию эхо в больших концертных залах? Студент: Название «эхо» связано с именем горной нимфы Эхо, которая, согласно древнегреческой мифологии, была безответно влюблена в Нарцисса. От тоски по возлюбленному Эхо высохла и окаменела. От нее остался только голос, способный повторять окончания произнесенных в ее присутствии слов. Студенты: Чехия. Скалы, раскинутые в форме круга возле Адерсбаха в Чехии, в определенном месте троекратно повторяют 7 слогов. Англия. В замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет 17 слогов. Италия. Тридцатикратное эхо дворца Симонетта в Милане. Преподаватель математики: Где же эхо применяется на практике в форме конуса? Практическое изготовление рупора. По желанию На свойстве звука отражаться от поверхностей основано действие рупора. Он применяется на митингах, соревнованиях, для усиления мощности звука и распространения на большие расстояния. При использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, вследствие чего увеличивается мощность и передача на большие расстояния. (Показывать видеофильм о применении эхо). Закрепление 1.Наблюдатель находится на расстоянии 85 м от отвесной скалы. Через какое время он услышит эхо от произнесенного восклицания? 2.Ребята, каждый из нас летом наблюдал грозу. Из простейших наблюдений во время грозы скажите, одновременно ли мы вместе с молнией слышим гром? Сделаем вывод: свойства звука: поглощение, отражение. Преподаватель физики: рассмотрим интересные истории, связанные со звуковым резонансом. Факт из истории. В Петербурге обрушился мост с ротой солдат, идущих строем. -Почему нельзя идти строем через мост? -Почему оркестры при переходе через мост не играют? Резонанс - явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний , при совпадении частоты внешней силы с собственной частотой. Резонанс от латинского слова – дающий отзвук. Преподаватель биологии: оказывается, что при частоте от 16 до 7 Гц наш организм начинает резонировать. Люди впадают в панику, испытывают головные боли, теряют рассудок, теряется зрение, в пляс пускаются желудок, легкие. А при частоте 7 Гц пляшет сердце, и могут порваться кровеносные сосуды. Преподаватель физики: всегда ли вреден резонанс? (В радиотехнике, телевидение, в музыкальных инструментах). Преподаватель биологии: явлением резонанса удалось объяснить и шум моря у морских раковин. Практическая часть. Закрепление материала в виде решения задач. 1. На расстоянии 1060 м от наблюдателя ударяют молотком по железнодорожному рельсу. Наблюдатель, приложив ухо к рельсу, услышал звук на 3 с раньше, чем он дошел к нем по воздуху. Чему равна скорость звука в стали? Скорость звука в воздухе принять равной 330 м/с. 2. Когда наблюдатель воспринимает по звуку, что самолет находится в зените, он видит его под углом 60градусов к горизонту. С какой скоростью летит самолет? 3. Найти разность фаз между двумя точками звуковой волны, если разность их расстояний от источника составляет 25 см, а частота колебаний 680 Гц. Скорость звука принять равной 340 м/с. 2. Взаимопроверка ВАРИАНТ 1( Тест с взаимопроверкой) ВАРИАНТ 2. 1.В каких направлениях совершаются колебания в продольной волне? а) во всех направлениях; б) только по направлению распространения волны; в) только перпендикулярно распространению волны; г) по направлению распространения волны и перпендикулярно этому направлению. В каких направлениях совершаются колебания в поперечной волне? а) во всех направлениях; б) только по направлению распространения волны; в) только перпендикулярно распространению волны; г) по направлению распространения волны и перпендикулярно этому направлению. 2. От чего зависит громкость звука? а) от частоты колебаний; б) от амплитуды колебаний; в) от частоты и амплитуды; г) не зависит ни от частоты, ни от амплитуды. 2. Из перечисленных веществ выберите плохой проводник звука: а) вата б) земля в) металл г) вода 3. Могут ли звуковые волны распространяться в безвоздушном пространстве? а) могут, например, звук выстрела в безвоздушном пространстве; б) не могут: звуковые волны распространяются только в веществе; в) могут, если звуковые волны поперечные. 3. От чего зависит высота звука? а) от амплитуды колебаний; б) от длины волны; в) от частоты колебаний источника звука. 4. От каких величин зависит высота тона? а) от амплитуды; б) от частоты; в) от громкости; г) от скорости распространения звука. 4. Чему равна длина звуковой волны в воде, если скорость её скорость равна 1480м/с, а частота 740Гц? а) 4м. б) 0,2м в) 2м. 5.Как распространяется звук в однородной среде? а ) звук распространяется прямолинейно с постоянной скоростью в одном направлении; б) звук распространяется по всем направлениям, скорость уменьшается с расстоянием; в) звук распространяется прямолинейно и с постоянной скоростью во всех направлениях. 5.Могут ли звуковые волны распространяться в безвоздушном пространстве? а) могут, если звуковая волна поперечная; б) могут, если звуковая волна продольная; в) не могут, т.к. они распространяются только в среде. 6. Динамик подключен к выходу звукового генератора электрических колебаний. Частота колебаний 170 Гц. Определите длину звуковой волны, зная, что скорость звуковой волны в воздухе 340 м/с? а) 0,5м; б) 1м; в) 2м; г) 57800м. 6. Какой прибор является источником чистого музыкального звука? а) камертон б) метроном в) кларнет. 7. Камертон, прикрепленный к резонансному ящику, ударили резиновым молоточком. К камертону поднесли по очереди два других камертона. Второй камертон в точности такой же, как и первый. Третий - настроен на меньшую частоту. Какой из камертонов начнет звучать с большей амплитудой? а) второй; б) третий; в) оба камертона; г) ни один из них. 7.Как зависит амплитуда вынужденных колебаний от частоты при постоянной амплитуде колебаний вынуждающей силы? а) непрерывно возрастает с увеличением частоты; б) непрерывно убывает с увеличением частоты; в) сначала возрастает, достигает максимума, затем убывает; г) сначала убывает, достигая минимума, затем возрастает. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ: 7 баллов-«5», 6 баллов- «4», 5 баллов- «3», за каждый правильный ответ ставится 1 балл. Подведение итога урока. Оценки. Рефлексия -что нового вы узнали на уроке -что понравилось? Домашнее задание. Подготовить презентацию « Звук и здоровье человека» Составить кроссворд « Звуковые волны» Экспериментальное задание « Поющие бокалы» Список использованной литературы 1.Физика. Задачник. А.Пю.Рымкевич.М.: Дрофа, 2010г. 2.А.П.Рыженков. Физика, человек, окружающая среда.М.»Дрофа», 2004г. 3.И.Г.Хорбенко. Звук, ультразвук, инфразвук. М.» Знание», 1990г. 4.Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика. Механика 10. М: «Просвещение» 2001 5.Кирик Л.А. Физика 10 класс. Методические материалы. – М.: ООО «Илекса», 2003. 6.Пепеляева О.В., Сунцова И.В. Поурочные разработки к учебным комплектам «Биология. Человек», 10класс, Д.В. Колесова, Р.Д. Маша, И.Н. Беляева; А.С. Батуева и др.; А.Г. Драгомилова, Р.Д. Маша. – М.: ВАКО, 2005. 7.Шуваева Е. Волшебный мир звуков. Физика № 17/07. иду на урок биологии: Человек и его здоровье: Книга для учителя. – М.: Издательство «Первое сентября», 2000. 8.DK Новый диск Интерактивная энциклопедия. Мое тело. Анатомия и физиология человека. М: ЗАО «Новый диск», © Dorling Kindersley. 1997-2006. 9.1С: Школа. Физика, 7 – 11 классы. Библиотека наглядных пособий. © ООО «Дрофа» 2004.