Научно - исследовательская работа по физике "Физика и музыка"

Работу выполнял представлял учащийся 8 класса. На НПК в школе - место 2.

МБОУ ЛОСЕВСКАЯ СОШ № 1

НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Подготовил: Запорожцев Виктор (8 класс)

Научный руководитель: Запорожцева Ольга Ивановна (учитель физики)

Пытаются шептать клочки афиш,

Пытается кричать железо крыш,

И в трубах петь пытается вода,

И так мычат бессильно провода...

К.Я.Ваншенкин

С. Лосево 2011 год

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В глубокой древности звук казался людям удивительным, таинственным порождением сверхъестественных сил. Они верили, что звуки могут укрощать диких животных, сдвигать скалы и горы, преграждать путь воде, вызывать дождь, творить другие чудеса.

В Древнем Египте, заметив удивительное воздействие музыки на человека, ни один праздник не обходился без ритуальных песнопений. Древние индийцы раньше других овладели высокой музыкальной культурой. Они разработали и широко использовали нотную грамоту задолго до того, как она появилась в Европе.

Понять и изучить звук люди стремились с незапамятных времен. Греческий ученый и философ Пифагор, доказал, что низкие тона в музыкальных инструментах присуще длинным струнам. При укорочении струны вдвое звук ее повысится на целую октаву. Открытие Пифагора положило начало науки об акустики. Первые звуковые приборы были созданы в театрах Древней Греции и Рима: актеры вставляли в свои маски маленькие рупоры для усиления звука. Известно также применение звуковых приборов в египетских храмах, где были «шепчущие» статуи богов.

Я учусь в музыкальной школе во втором классе, обучаюсь игре на аккордеоне. В музыкальную школу пошел учиться с большим интересом. Мне нравится музыка. Выбор музыкального инструмента был не очень сложным. У меня было два пути – фортепиано или аккордеон. Аккордеон одержал победу. Особенно, когда я услышал как играет Пётр Дранга.

В один прекрасный день у меня возник вопрос: а что такое музыка? Изучает ли её, получение музыкального звука какая-нибудь наука? Почему существуют различные инструменты? И самое главное почему они имеют именно такую форму и размеры как имеют? И вот я занялся поиском ответов на эти вопросы. Но к моему удивлению, я открыл для себя не просто музыкальные звуки, а целую науку о звуках и о музыкальных в частности.

Целью работы является

1.Выяснить, что такое звук и шум

2.Какие звуки мы слышим

3.Что является источником звука

4.Чем характеризуется звук

5.Может ли звук вызывать неприятные ощущения

6.Какая наука занимается изучением звука

7.Что такое музыка и что необходимо сделать, чтобы услышать музыку

8.Влияет ли материал, строение музыкального инструмента на звук, издаваемый им

9.Сравнить некоторые музыкальные инструменты и их звуки

1. ЧЕЛОВЕК И ЗВУК

Человек стал человеком, когда услышал шепот листьев и песню кузнечика, журчание весеннего ручья и звон серебряных колокольчиков, жаворонка в бездонном летнем небе, шорох снежинок и завывание вьюги за окном, ласковый плеск волны и торжественную тишину ночи, – услышал и, затаив дыхание, слушает сотни и тысячи лет чудесную музыку жизни. Умей и ты слушать эту музыку, умей наслаждаться красотой.

В.Сухомлинский

Человек всегда жил в мире звуков и шума.

Звук-это то, что слышит ухо.

ЗВУК – ЭТО МЕХАНИЧЕСКАЯ ВОЛНА.

Шум - громкие звуки, слившиеся в нестройное звучание.

Звуки многообразны: шум дождя, грохот водопада, курлыканье журавлей, потрескивание деревьев на морозе, скрип стволов, раскачиваемых ветром, шум растревоженной ветром листвы, тихое журчание ручейка, шорох осторожных шагов, рокот мотора.

Человек украсил мир речью, пением, музыкой- заставил предметы звучать по своему усмотрению. Хорошо высушенные и натянутые шкуры животных стали барабанами. Жилы - струнами. Трубчатые стебли растений - первыми духовыми инструментами.

Для всех живых организмов, в том числе и человека, звук является одним из воздействий окружающей среды.

В природе громкие звуки редки, шум относительно слаб и непродолжителен. Сочетание звуковых раздражителей дает время животным и человеку, необходимое для оценки их характера и формирования ответной реакции. Звуки и шумы большой мощности поражают слуховой аппарат, нервные центры, могут вызвать болевые ощущения и шок. Так действует шумовой загрязнение.

Мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы. Услышав какой-то звук, мы обычно можем установить, что он дошел до нас от какого-то источника. Рассматривая этот источник, мы всегда найдем в нем что-то колеблющееся.

Звук - это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и т.п.

Ощущение звука создается только при определенных частотах колебаний в волне. Опыт показывает, что для органа слуха человека звуковыми являются только такие волны, в которых колебания происходят с частотами от 20 до 20000 Гц.

Колебания большей частоты называют ультразвуком, меньшей - инфразвуком.

1.1. ИСТОЧНИКИ ЗВУКА. УСЛОВИЯ ЗВУКА

И с т о ч н и к а м и звука являются колеблющиеся тела

Звуки издают:

1) человек и животные (колеблются голосовые связки);

2) насекомые: комары, шмели, мухи(колеблются крылья в полете);

3) музыкальные инструменты:

-струнные( колеблются струны);

-духовые( колеблется воздух);

-ударные( в барабане колебания совершает кожа);

4)телефон, колонки, динамик (колеблется мембрана);

У с л о в и я необходимые для возникновения звуковой волны:

1.Источник звука (волны), совершающий колебания:

*искусственные (звонок, сирена, камертон, звуки музыкальных инструментов…)

*естественные (шум дождя, шорох листьев, журчание воды, прибой, пение птиц…)

2.Упругая среда

Звук в вакууме распространяться не может, т.к. здесь нет упругой среды,
и поэтому не могут возникнуть упругие механические колебания

3.Определенный диапазон частот колебаний источника звука – между 16 Гц и 20 кГц,
достаточная для восприятия ухом мощность звуковых волн.

1.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА

1)высота - определяется частотой колебаний источника.

Чем больше частота колебаний источника, тем выше тон издаваемого им звука.

Звуки человеческого голоса по высоте делят на несколько диапазонов:

бас – 80–350 Гц,

баритон – 110–149 Гц,

тенор – 130–520 Гц,

дискант – 260–1000 Гц,

сопрано – 260–1050 Гц,

колоратурное сопрано – до 1400 Гц

2)громкость – зависит от:

*амплитуды колебаний источника звука (чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук)

*длительности звука и от индивидуальных особенностей слушателя

3)скорость - распространение звука происходит не мгновенно, а с конечной скоростью.

Скорость звука в воздухе - приблизительно 340 м/с.

Скорость звука в воде — 1500 м/с.

Скорость звука в металлах, в стали — 5000 м/с

4)частота - влияет на высоту тона

5)амплитуда – влияет на громкость (чем больше амплитуда, тем звук громче)

6)длина волны

7)энергия

8)период

1.3. ШКАЛА ГРОМКОСТИ

Тихий шелест листвы, журчание ручья, птичьи голоса, легкий плеск воды и шум прибоя всегда приятны человеку. Они успокаивают его, снимают стрессы. Но естественные звучания голосов Природы становятся все более редкими, исчезают совсем или заглушаются промышленными транспортными и другими шумами.

Длительный шум неблагоприятно влияет на орган слуха, понижая чувствительность к звуку.

Он приводит к расстройству деятельности сердца, печени, к истощению и перенапряжению нервных клеток. Ослабленные клетки нервной системы не могут достаточно четко координировать работу различных систем организма. Отсюда возникают нарушения их деятельности.

Уровень шума измеряется в единицах, выражающих степень звукового давления,- децибелах.

О звуках различной громкости говорят, что один громче другого не во столько-то раз, а на столько-то единиц. Единица громкости называется децибелом (дБ).

Например,

10 дБ – громкость звука шороха листьев

20 дБ – шёпот, листва, прибой

20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;
50 дБ – разговор средней громкости;

60 дБ - речь, шум в магазине

70 дБ – уличный шум

77 дБ – легковые автомобили

80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля; шум автобуса, машиностроительные заводы, машинописное бюро

90 дБ - токарный станок

95 дБ - строительные предприятия

99 дБ - металлургические заводы

100 дБ – железнодорожный, воздушный транспорт, листоштамповочный пресс, компрессорные станции,

120 дб – гром, реактивный двигатель

130 дБ – порог болевого ощущения, ощущается кожей и вызывает ощущение боли, клепка/рубка стали

150 дБ - становится для человека непереносимым

Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.

Недаром в средние века существовала казнь "под колокол". Гул колокольного звона мучил и медленно убивал осужденного.

Влияние звуков на человека

Листва, прибой

20 дБ

Успокаивает

Звонок будильника

80 дБ

Появляется чувство раздра-жения, утомляемость, го-ловная боль

Плеер

114 дБ

Вызывает звуковое опья-нение наподобие алкоголь-ного, нарушает сон, разру-шает психику, приводит к глухоте.

Звук двигателя самолёта

130 дБ

Болевые ощущения

2.АКУСТИКА

Способность человека воспринимать упругие колебания, слушать их отразились в названии у ч е н и я о з в у к е – акустика.

АКУСТИКА- РАЗДЕЛ ФИЗИКИ, В КОТОРОМ ИЗУЧАЮТСЯ ЗВУКОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ.

от греческого akustikos - слуховой, слышимый

Физиологическая акустика исследует возможности органов слуха, их устройство и действие. Она изучает образование звуков органами речи и восприятие звуков органами слуха, а также вопросы анализа и синтеза речи

Электроакустика, или техническая акустика, занимается получением, передачи, приемом и записью звуков при помощи электрических приборов

Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях, влияние на звук размеров и формы помещений, свойств материалов, покрывающих стены и потолки, и т.д. При этом опять имеется в виду слуховое восприятие звука.

Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за последнее время охватила и колебания, лежащие за пределами слышимости (ультраакустика). Она широко использует разнообразные методы для превращения механических колебаний в электрические и обратно (электроакустика).

Атмосфернаяакустика изучает звуковые процессы в атмосфере, в частности распространение звуковых волн, условие сверхдальнего распространения звука

Гидроакустика(морская акустика) занимается изучением явлений, происходящих в водной среде, связанных с излучением, приемом и распространением акустических волн

Биологическая акустика рассматривает вопросы звукового и ультразвукового общения животных

Музыкальная акустика исследует музыкальные инструменты и условия их наилучшего звучания, а также музыкальные настройки и системы.

3.ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Первые наблюдения по акустики были проведены в VI веке до нашей эры. Пифагор установил связь между высотой тона и длиной струны или трубы издающей звук.

В IV в. до н.э. Аристотель первый правильно представил, как распространяется звук в воздухе. Он сказал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от препятствий.

В XV веке Леонардо да Винчи сформулировал принцип независимости звуковых волн от различных источников.

В 1660 году в опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука (в вакууме звук не распространяется).

В 1700 - 1707 гг. вышли мемуары Жозефа Савёра по акустике, опубликованные Парижской Академией наук. В этих мемуарах Савёр рассматривает явление, хорошо известное конструкторам органов: если две трубы органа издают одновременно два звука, лишь немного отличающиеся по высоте, то слышны периодические усиления звука, подобные барабанной дроби. Савёр объяснил это явление периодическим совпадением колебаний обоих звуков. Если, например, один из двух звуков соответствует 32 колебаниям в секунду, а другой - 40 колебаниям , то конец четвёртого колебания первого звука совпадает с концом пятого колебания второго звука и, таким образом происходит усиление звука.

Наконец, Савёр первый пытался определить границу восприятия колебаний как звуков: для низких звуков он указал границу в 25 колебаний в секунду, а для высоких - 12 800.

За тем, Ньютон, основываясь на этих экспериментальных работах Савёра, дал первый расчет длины волны зву