Проект з фізики з теми "світ звуків"

STEM - проект « Світ звуків»

Мета: в цікавій формі розглянути програмний матеріал, розвивати пізнавальну активність і творчість учнів, їх спостережливість та світоглядну компетентність.

Демонстрації: музичні келихи, ефект Доплера, ксилофон, резонанс з камертонами.

Обладнання:

•      різні види келихів, вода
•      колонка (свисток), мотузка довжиною 80-100 см;
•      7 високих склянок, пляшок або банок (переважно однакової форми і розміру), вода, харчовий барвник, металева ложка, дерев'яна ложка, або дерев'яні палички ескімо, глечик;
•      штатив, дві нитки різних кольорів, два тягарця;
•      2 камертона, штатив з підвишеною на нитці кулькою, 2 однакові пластикові пляшки.

Завдання:

•    закріплювати уявлення учнів про поняття "звук", «звукова хвиля»;
•    сформувати уявлення про характер звуку - гучність, тривалість, висоту;
•    підводити до розуміння причин виникнення звуку - поширення звукових хвиль;
•    виявити причини посилення і послаблення звуку;
•    сприяти розвитку аналітичного мислення учнів, вмінню робити логічні висновки;
•    створити умови для вироблення шанобливого ставлення до думки оточуючих;
•    формування працьовитості, дисциплінованості та сумлінності.

Хід роботи

І. Організаційний момент

Вчитель: Сьогодні ми з вами здійснимо подорож в чарівний світ звуків. Навколо нас багато речей, які видають звуки. Ми чуємо шелест листя, шум двигунів літака, плескіт води, голоси тварин, мова людини. Наш голос - музичний інструмент.

Я запрошую вас в подорож, в країну «Звуків»

Мета нашої поїздки: Дізнатися звідки береться звук? Де він ховається? Що потрібно для його поширення?

(розповідаємо про досліди, діти обирають їх за бажанням, ведучим виступає вчитель, який буде робити вступ і висновок. Після цього розпочинається 40 хвилин, відведені учням для вирішення експериментальної задачі. До кожної групи учнів буде приставлений учень-консультант (старшокласник), який формулюватиме для учнів мету вирішення даної задачі, умову задачі та допомагатиме у її вирішенні.)

Дослід 1. Музичні келихи

Яскравим прикладом використання «музичних келихів» є інструмент Бенджаміна Франкліна.

Бенджамин Франклін зробив інструмент гласкорд або гармоніку Франкліна. Старовинний музичний інструмент, уявляв собою  вал, поміщений в довгастий футляр, до певного рівня наповнений водою. На цьому валу було укріплено до сорока півкуль, що поступово збільшуються врозмірі і всунуті один в одного. Вал з прикріпленими до нього півкулями приводився в обертальний рух за допомогою ножної педалі (Рис. 2.1).

Рис. 2.1

Перед початком гри скляні півкулі змочували і, торкаючись пальцями до тієї або іншої півкулі, витягали бажані звуки. Екземпляр цього інструменту в наші дні можна побачити в Петербурзі, в Музеї науки.

Обладнання: різні види келихів, вода.

Дослід: Перш ніж приступити до досліду, добре вимийте руки з милом. Потім, злегка намочивши чистою водою пальці правої руки, поставте келих на стіл, а лівою рукою міцно тримайте його за ніжку. Середнім або вказівним пальцем правої руки почніть по колу водити по краю келиха. Через кілька секунд ви почуєте мелодійний звук. Звук не припинятиметься, поки  керуєте пальцем по краю келиха. Якщо це успішно вийшло, налийте в келих чисту воду, трохи не доходячи до краю, і продовжуйте водити пальцем. Ви почуєте звук значно нижче того, який був без води.

Основну роль у виникненні звуку відіграє сила тертя між пальцем і краєм келиха. На відміну від сили сухого тертя, сила тертя з мастилом, роль якої грає вода, залежить від швидкості ковзання пальця по краю келиха.

Продовжуючи кругові рухи пальцем, подивіться на поверхню води. На ній утворилися маленькі хвилі. Потім треба поступово видаляти воду невеликими порціями. Звук поступово підвищується, і найвищий буде у порожнього келиха. Треба взяти другий такий же келих і повторити з ним досвід, як і з першим, але не наливаючи води. В ході досліду можна помітити, що висота звуку у них трохи різна. Навіть дуже невелика різниця в товщині стінок келихів впливає на частоту їх коливань, змінюється висота звуку.

Дослід 2. Ефект Доплера

Найпопулярніший і простий приклад, що пояснює суть ефекту Доплера - нерухомий спостерігач і машина з сиреною. Припустимо, ви стоїте на зупинці. До вас по вулиці рухається карета швидкої допомоги з включеною сиреною. Частота звуку, яку ви будете чути в міру наближення машини, не однакова.

Спочатку звук буде більш високої частоти, коли машина порівняється з зупинкою. Ви почуєте справжню частоту звуку сирени, а в міру віддалення частота звуку буде знижуватися. Це і є ефект Доплера.

Дане явище, теоретично обгрунтоване в 1842 році австрійським фізиком Крістіаном Доплером, було згодом названо його ім'ям. Сам Доплер вивів свою теорію, спостерігаючи за колами на воді і припустивши, що спостереження можна узагальнити для всіх хвиль. Експериментально підтвердити ефект Доплера для звуку і світла вдалося пізніше.

Підтвердженням правильності міркувань Крістіана Доплера пов'язано з одним з цікавих і незвичайних фізичних експериментів. У 1845 році метеоролог з Голландії Християн Баллот взяв потужний локомотив і оркестр, що складається з музикантів з абсолютним слухом. Частина музикантів - це були трубачі - їхали на відкритому майданчику поїзда і постійно тягнули одну і ту ж ноту. Припустимо, це була ля другої октави.

Інші музиканти перебували на станції і слухали, що грають їхні колеги. Абсолютний слух всіх учасників експерименту зводив ймовірність помилки до мінімуму. Експеримент тривав два дні, всі втомилися, було спалено багато вугілля, але результати того варті. Виявилося, що висота звуку дійсно залежить від відносної швидкості джерела або спостерігача (слухача).

Одне з найбільш широко відомих застосувань ефекту Доплера - визначення швидкості руху об'єктів за допомогою датчиків швидкості. Радіосигнали, що посилаються радаром, відбиваються від машин і повертаються назад. При цьому, зміщення частоти, з якою сигнали повертаються, має безпосередній зв'язок зі швидкістю машини. Зіставляючи швидкість і зміна частоти, можна обчислювати швидкість.

Ефект Доплера широко застосовується в медицині. На ньому заснована дія приладів ультразвукової діагностики. Існує окрема методика в УЗД, звана доплерографією.

Обладанння: колонка, мотузка

Дослід: Візьмемо звичайну колонку (маленького розміру!) і прикріпимо її до канату 80-100 см завдовжки. Спочатку тримаємо колонку нерухомо і вмикаємо музику. Ми почуємо рівне звучання колонки. Не вимикаючи колонку починаємо обертати її. Висота тону колонки буде то збільшуватися, то зменшуватися (віддаляється і приближається від слухачів). Це буде помітніше в тому випадку, якщо колонку будемо обертати швидше. (Аналогічний дослід можна провести зі свистком і ниткою).

Дослід 3 Ксилофон

Ксилофон - один з найдревніших і загадковіших музичних інструментів. Відноситься до групи ударних. Складається з дерев'яних брусків, які мають різну величину і налаштовані на певну ноту. Звук витягається дерев'яними паличками з наконечником сферичної форми. Ксилофон з'явився близько 2000 років тому, про це свідчать зображення, знайдені в печерах Африки, Азії і країнах Латинської Америки. На них були зображені люди, що грали на інструменті схожим на ксилофон. Незважаючи на це, перші офіційні згадки про нього в Європі датуються тільки 16ст. Арнольт Шлик у своїй праці про музичні інструменти описав подібний інструмент під назвою hueltze glechter. Із-за простоти конструкції, він завоював визнання і любов серед бродячих музикантів, оскільки був легкий і зручний в транспортуванні. Дерев'яні бруски просто зв'язували між собою, а за допомогою паличок витягали звук.

Конструкція ксилофона доволі проста (Рис. 2.2) . Він складається з рами, на якій в 2 ряди розташовані бруски на кшталт клавіш фортепіано. Бруски налаштовані на певну ноту і лежать на поролоновому прокладенні. Звук посилюється, завдяки трубкам, які розташовані під ударними брусками. Ці резонатори настроюються відповідно до тону бруска, а також значно розширюють тембральне забарвлення інструменту, роблячи звук яскравішим і насиченим. Ударні бруски, робляться з цінних порід дерева, які сушать декілька років. Мають стандартну ширину 38 мм і 25 мм в товщину. Довжина варіюється залежно від висоти тону. Бруски викладаються в певному порядку і скріплюються шнуром. Якщо говорити про палички, то їх за стандартом 2, але музикант залежно від рівня майстерності може використати три або чотири. Наконечники в основному сферичної форми, але іноді виконані у вигляді ложки. Зроблені з гуми, дерева і повсті що впливає на характер музики

Рис. 2.2

Обладнання:

•                 7 високих склянок, пляшок або банок (переважно однакової форми і розміру);
•                 вода;
•                 харчовий барвник;
•                 металева ложка, дерев'яна ложка, або дерев'яні палички ескімо;
•                 глечик.

Дослід:

1.                 Вибудувати пляшки або склянки в ряд.
2.                 Акуратно вдарити по кожній склянці (пляшці). Запитайте: який звук створюється? Чи всі стакани видають однаковий звук?
3.                 Налити воду в глечик, засипати харчовий барвник і розмішати.
4.                 Обережно влити воду в склянки (пляшки), переконавшись, що виходить різний рівень води в кожній склянці.
5.                 вдарити виделкою (ложкою, дерев’яними палочками) по склянках (пляшках). Який шум вони створюють зараз? Чи всі стакани видають один і той же звук зараз?
6.                 змінюйте тони звуків шляхом зміни кількості води.

7)  Запропонувати кожному учаснику зіграти мелодію! Налаштуйте необхідний рівень води шляхом збільшення або зменшення кількості води для кожної склянки (пляшки), щоб вийшли музичні ноти.

Коли учень стукає по порожній склянці, він створює звукові хвилі, які проходять крізь стінки склянки. Але коли в склянці з'являється вода, то звукові хвилі змінюються, оскільки тепер вони повинні пройти і крізь воду.Чим більше води присутньо в склянці, тим нижче тон звуку (нижче нота).

Дослід 4 Резонанс

Уперше поняття резонансу було введене в 16 столітті Галілео Галілеєм, коли він займався дослідженням роботи маятників і музичних струн. У перекладі з латинського слово "резонанс" буквально означає "відгукуюся" і є фізичним явищем, при якому власні коливальні рухи стають вимушеними, збільшують свою амплітуду, відповідаючи, таким чином, на дії довкілля. Простими словами резонанс - це відгук на деякий подразник ззовні. Це синхронізація частот коливань (кількість коливань в одну секунду) деякої системи і зовнішньої сили, що впливає на неї, що спричиняє за собою зростання амплітуди коливань цієї системи. Простими словами, якщо тіло, що коливається почати "підштовхувати" з відповідною регулярністю, в потрібному ритмі, то коливання почнуть посилюватися. Це і є резонанс. Коли ми розгойдуємо дитину на гойдалці, ми добиваємося того, щоб гойдалки увійшли в резонанс з нашими поштовхами.

Багато хто знає, що якщо піднести черепашку до вуха то можна почути звук моря так ось хочу вас засмутити, то, що ви чуєте насправді є кров, яка тече по венах у вас в вусі, а чуєте ви це, тому що коли ви підносите раковину до вуха відбувається звуковий резонанс (різке збільшення звучання), де резонатором є раковина, тому ви і чуєте цей звук ми могли б чути його завжди, якби він не був таким тихим.

На перший погляд, резонанс - це корисне явище, яке допомагає нам в різних аспектах життя. Наприклад, воно успішно використовується у разі, коли автомобіль повгрузав колесами у бруді або снігу і не може рушити з місця. Розгойдування авто назад-вперед допомагає визволити машину з полону. Проте, у цього фізичного феномену є і негативна сторона. У середовищі архітекторів існує поняття "Такомский міст" : так називають об'єкти, виконані з численними порушеннями будівельних розрахунків. Річ у тому, що в 40-х роках 19 ст в одному з штатів США сталося обвалення висного моста. Як з'ясувалося пізніше, причиною послужив резонанс: вітер посилив власні коливання конструкції, що і привело до трагедії. Після цього випадку технології мостобудування зазнали великих змін.

Ще один сумний випадок з мостом, який зруйнувався в мить, коли по ньому йшла рота військових. Солдати, маршируючи в ногу, створили коливання, які увійшли до резонансу з власними коливаннями конструкції. Відтоді з'явилася нова команда "Не в ногу"!, використовувана командирами при проходженні через міст.

1.     Дослід з бутилками

Обладнання: дві однакові за об'ємом пластикові пляшки

Візьміть дві однакові за об'ємом пластикові пляшки в різні руки і подуйте поверх шийки однієї з них (Рис. 2.3). У вас повинен вийти постійний звук. Запам'ятайте його висоту і гучність. Продовжуйте дути і піднесіть шийку іншої пляшки до вуха. Зверніть увагу на будь-які зміни висоти і гучність звуку, яка при цьому може статися. Коли ви просто подули над шийкою першої пляшки, ви почули звук. Коли ви, продовжуючи дути, піднесли другу пляшку до вуха, ви почули звук тієї ж висоти, що і від першої пляшки, але гучніший. Чому? Оскільки обидві пляшки однакові, вони мають одну і ту ж власну частоту коливань. Коли ви дмете на пляшку поверх її шийки, повітря усередині неї починає коливатися. Ці коливання передаються повітрю, що оточує шийку пляшки, і далі досягають другої пляшки. Повітря в другій пляшці теж починає коливатися.

Рисунок 2.3.

Друга пляшка зазвучала "сама по собі", ви на неї не дули. Це сталося тому, що коливання повітря, що дійшли до неї, мали частоту, рівну власній частоті цієї пляшки. Оскільки частота коливань для обох пляшок співпадає, сталося накладення двох звукових хвиль, виникла звукова хвиля з більшою амплітудою і з'явився гучніший звук. Оже, звукові хвилі, що прийшли від двох пляшок разом, породили гучніший звук. Висота його при цьому залишилася колишньою.

2.     Дослід з камертоном

Обладнання: 2 камертона, молоточок, штатив з намистинкою на нитці.

 На пряму показати, що таке резонанс і резонатор можна за допомогою невеликого досліду, в якому знадобиться пара камертонів і штатив з кулькою, прив'язаним до нього на нитці. Спочатку взявши один камертон і підставивши його до кульки, ми вдаримо по камертону, внаслідок чого виникне резонанс, під дією якого ви почуєте звук, і кулька почне відскакувати від камертона. Але резонанс діє на предмети у яких однакова з ним частота не залежно від місця їхнього розашування і для того що б це показати проведемо ще один дослід. Для цього візьмемо ще один камертон і повторимо те ж саме, що робили в перший раз тільки тепер до першого камертону ми підставимо другий поєднавши отвори їх резонующих коробок і вдаримо вже по другому камертону, як і в першому випадку під дією резонансу кулька почне відштовхуватися тільки з меншою силою, так як резонансу довелося подолати набагато більшу відстань, ніж в перший раз. (Рис. 2.4).

Рис. 2.4

ІІ. Презентаційний етап

Після закінчення відведених 40 хвилин розпочинається етап презентації досягнень. Учні кожної групи по черзі виходять до демонстраційного столику зі своїми дослідами. 

ІІІ. Оцінювання

Після демонстрації усіх дослідів розпочинається етап оцінювання кожної групи. Відбувається це самими учасниками STEM майданчику прийомом «Овація» (таємне голосування між учнями). Всіх учасників заходу учні-консультанти проигощають солодкими подарунками.

Висновки: Заходи такого типу можна легко реалізувати на уроках з фізики. Це дозволить урізноманітнити процес викладання фізики, підвищити рівень мотивації до вивчення предмету, залучити дітей до виконання експерименту в ігровій формі. При реалізації даного заходу в середній школі можна залучити учнів до планування та підготовки заходу, збору та конструювання апаратури для експериментальних задач.

Проведення такого педагогічного експерименту дає змогу зробити висновок, що такий освітній продукт має право на існування.