Изучение физики в школе. Обучающие программы.

Выберите, пожалуйста,
интересующую Вас тему:

Описание программы svuk-s

Звук, тон, частота

Сейчас практически во всех школах имеются компьютеры, но не всегда сохраняются в рабочем состоянии приобретённые ранее осциллографы и звуковые генераторы. Мною создана и используется на уроках простая компьютерная программа «ЗВУК: ТОН И ЧАСТОТА», которая в некоторой степени заменяет эти приборы, имитируя их, при изучении колебаний в 9-м и 11-м классах. Привожу описание работы с программой и методику работы с ней. После запуска на экране появляются предложения: «Введите частоту F = 2000 Hz» и «Введите шаг изменения частоты h = 1 или 100 (Hz)». При первоначальном знакомстве девятиклассников с темой «Звуковые явления», а также для демонстрации интерференции в 9-м и 11-м классах рекомендуется вводить F = 2000 Гц и h = 100 Гц. Тогда ученики слышат звук заданной частоты и видят на экране график основного тона колебания давления (относительно нормального атмосферного) в зависимости от времени (за единицу времени по оси абсцисс принята 1 мс).

Эта частота выбрана не случайно: длина полуволны звука в классной комнате составит около 7 см, и если предложить ученикам, закрыв одно ухо ладонью, перемещать голову в пределах этого расстояния, то отчётливо прослушиваются интерференционные максимумы и минимумы. Лучше использовать компьютер с двумя динамиками, хотя демонстрация так же хорошо идёт и при одном, но придётся объяснять аудитории, что интерференция в этом случае происходит за счёт отражения (от стен и других предметов).

В 11-м классе можно продолжить эти опыты для создания проблемной ситуации: один ученик медленно ходит по классу, а остальные, сидя неподвижно, слышат периодические усиления и ослабления звука. Вопрос классу: почему так происходит? Ответ: перемещающийся ученик является источником отражённого звука с переменной разностью хода по отношению к другим источникам, что изменяет пространственное распределение интерференционных максимумов и минимумов. Кстати, подобное явление, но с радиоволнами наблюдается, когда невдалеке от ТВ- или радиоприёмника пролетает самолёт.

Если при запуске программы ввести шаг h = 100, то удобно показать ещё две демонстрации (ввод других значений допустим, но не рационален):

1. Изменение частоты F основного тона приводит к изменению высоты звука - как видно на дисплее, нажатие и удерживание клавиши U увеличивает частоту (это отражается на экране и графике), а клавиши D - уменьшает. Пронаблюдав опыт, девятиклассники должны ответить на вопрос: как сказывается на звуке уменьшение (увеличение) частоты?

2. Меняя частоту в больших пределах (например, монотонно уменьшая её от 2000 Гц до единиц Гц, причём осторожно, чтобы она не оказалась отрицательной - в противном случае произойдёт выход из программы), просим детей держать руку поднятой, когда они услышат звук и опускать, когда звука не слышно. Сначала все сидят с поднятыми руками. Когда частота приближается к 20 Гц, некоторые опускают руку. Заметив это, как привило, весь класс шумно осуждает поведение «выскочек» (эмоциональная разрядка резко повышает интерес детей к теме, а учителю даёт повод отметить индивидуальные особенности восприятия звука). По мере уменьшения частоты всё меньше поднятых рук, и при частотах в единицы Гц все руки опущены - никто не слышит звук, хотя экран показывает колебания сверхнизкой частоты. Учитель сообщает, что такие колебания называются инфразвуковыми, или инфразвуками и для большинства людей 16-20 Гц является нижней границей слышимости.

Аналогичная ситуация возникает и при приближении к верхнему порогу звуковых частот. При частоте около 20 кГц почти никто не держит руку поднятой, а при дальнейшем увеличении частоты звука не слышит никто, хотя дисплей показывает наличие колебаний. Преподаватель спрашивает, не знает ли кто-нибудь, как называются такие колебания? Всегда находятся знатоки, которые не только дадут правильный ответ, но и расскажут, что ультразвуки используют летучие мыши и дельфины для эхолокации, а последние - и для коммуникации 20 кГц - верхний предел чувствительности человеческого уха.

Программа позволяет демонстрировать биения при сложении колебаний с мало отличающимися частотами, и определять на опыте основную частоту неизвестного источника звука. В первом случае, заставляем звучать источник звука известной частоты (камертон или компьютер). Запустив другой компьютер с той же программой, вводим в неё известную частоту, устанавливаем h = 1. Ученикам предлагаем сидеть неподвижно (чтобы интерференция не усложняла картину), и они слышат чистый звук одинаковой громкости. Если теперь у второго компьютера клавишами U или D изменить частоту на единицы герц, то отчётливо слышны периодические усиления и ослабления звука, то есть биения.

Во втором случае, слушая источник звука, частоту которого требуется определить, запускаем программу, вводя предполагаемую частоту и шаг её изменения h = 100. Меняя частоту, добиваемся грубого совпадения тона обоих звуков, а затем, изменив h на 1, сканируем частоту до прекращения биения. Частота колебаний, видимых на экране, и равна искомой.