Тема 3. Тема 3

матеріал 10

Лабораторна робота №5. Дослідження звукових коливань.

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 100. Лабораторна робота №5. Дослідження звукових коливань.

Очікувані результати навчання

формулює самостійно або у співпраці з іншими проблему дослідження [12 ПРО 1.1.1]
формулює самостійно або у співпраці з іншими мету дослідження [12 ПРО 1.2.1]
добирає самостійно або у співпраці з іншими методи відповідно до мети і гіпотези дослідження [12 ПРО 1.3.1]
створює і аналізує самостійно або у співпраці з іншими моделі об’єктів і явищ, які необхідно дослідити [12ПРО 1.4.1]
інтерпретує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різний спосіб [12 ПРО 2.2.2]
порівнює, аналізує самостійно або у співпраці з іншими природні і техногенні об’єкти, явища і процеси на основі наукових методів пізнання та законів природи [12 ПРО 3.1.1]
застосовує самостійно або у співпраці з іншими наукове знання і власний досвід для розв’язання життєвої/ навчальної проблеми [12 ПРО 4.3.2]
виконує завдання відповідно до визначеної ролі у групі, окреслених завдань і зазначеного часу [12 ПРО 4.4.2]

Мета уроку: спрямувати діяльність учнів на дослідження звуку як фізичного явища через реальні вимірювання, спостереження та аналіз даних; сприяти формуванню вмінь порівнювати об’єктивні фізичні вимірювання із суб’єктивним сприйняттям звуку.

Очікувані результати для вчителя:

учні розрізняють рівень звуку та інтенсивність звуку
учні пояснюють явище затухання звуку з віддаленням від джерела
учні навчяться вимірювати рівень звуку за допомогою шумоміра
учні встановлюють експериментальні залежності I та порівнює їх з теоретичними моделями
учні спостерігають вплив різних матеріалів на ослаблення звуку
учні аналізують отримані дані, будує графіки, порівнює очікування з результатами та формулює аргументовані висновки

Очікувані результати для учнівства:

розрізняє рівень звуку та інтенсивність звуку
пояснює явище затухання звуку з віддаленням від джерела
навчиться вимірювати рівень звуку за допомогою шумоміра
встановлює експериментальні залежності I та порівнює їх з теоретичними моделями
спостерігає вплив різних матеріалів на ослаблення звуку
аналізує отримані дані, будує графіки, порівнює очікування з результатами та формулює аргументовані висновки

Ключові слова:

звук
рівень звуку
децибели (дБ), інтенсивність звуку
закон обернених квадратів
поширення звуку
гучність
частота
тон
шумомір
генератор звуку
фон сигналу
поглинання звуку
відбиття звуку
екранування
психоакустика
суб’єктивне сприйняття
об’єктивні вимірювання.

План уроку:

Теоретична частина
Хід роботи
Обробка результатів.
Висновок
Додаткове завдання
Рефлексія

1. Теоретична частина

Дружня порада вчителю

Тривалість до 5 хв.

Звук — це механічні хвилі, які поширюються в середовищі, передаючи енергію від частинки до частинки без перенесення речовини. Людина сприймає звук завдяки слуховій системі, але вимірює його фізичні характеристики за допомогою приладів. Однією з таких характеристик є рівень звуку, який вимірюється в децибелах (дБ) і визначається через логарифмічну залежність від інтенсивності звуку. Інтенсивність звуку (I) — це кількість енергії, яка проходить через одиницю площі за одиницю часу (Вт/м²). Для зручності порівняння інтенсивність звуку відноситься до порогової інтенсивності слуху людини І₀=10^-12 Вт/м2, що відповідає найменшому чутному звуку. Зв’язок між інтенсивністю та рівнем звуку задається формулою:

(1) $\begin{equation*}\beta = 10 \lg \left( \frac{I}{I_0} \right)\end{equation*}$

через що шкала децибел є логарифмічною. При збільшенні відстані від джерела інтенсивність звуку зменшується, тому що звукова енергія розподіляється на більшу площу. Для точкового джерела інтенсивність зменшується обернено пропорційно квадрату відстані

(2) $\begin{equation*}I \propto \frac{1}{d^2}\end{equation*}$

якщо віддалитися вдвічі, інтенсивність зменшується приблизно в чотири рази. Саме тому звук дуже швидко слабшає з віддаленням від джерела, особливо на малих дистанціях. Іншою важливою характеристикою звуку є частота, від якої залежить тон: низькі частоти створюють відчуття гулу, а високі — писку. Людське вухо сприймає частоти нерівномірно, тому два звуки з однаковою інтенсивністю, але різною частотою можуть здаватися різної гучності. Нарешті, на розповсюдження звук впливають перешкоди та матеріали, які можуть або відбивати звук (жорсткі поверхні), або поглинати його (м’які та пористі матеріали), що широко використовується в акустичному дизайні приміщень.

2. Хід роботи

Дружня порада вчителю

Тривалість до 20 хв.

Об’єднайте учнів у групи по 2-4 особи.

Наголосіть на правилах техніки безпеки перед початком проведення дослідів.

Перед початком перевірте, щоб у всіх правильно працювали додатки та були вимкнені зайві звуки (сповіщення тощо).

Нехай учні перед початком досліду розподілять між собою ролі (переміщення телефона, вимір гучності, запис результатів).

Слідкуйте, щоб умови досліду були максимально сталими (одна й та сама гучність на генераторі, однакове положення телефонів).

Нагадайте правила побудови графіків та використання маштабу.

Тема: Вимірювання рівня гучності та інтенсивності звуку: дослідження залежності від відстані, частоти та перешкод.

Мета: Навчитися вимірювати рівень звуку, розраховувати інтенсивність, будувати графіки залежності рівня звуку та інтенсивності від відстані, досліджувати вплив частоти та перешкод на гучність та порівнювати суб’єктивні відчуття із результатами вимірювань.

Обладнання: 2 смартфони (один як джерело звуку, другий як шумомір), додатки: генератор тонів, шумомір, рулетка або лінійка (не менше 1 м), декілька матеріалів-перешкод (книга/зошит, светр або худі, рюкзак, картон/папка), аркуш для побудови графіків.

План проведення досліду:

Частина I. Встановлення залежності рівня гучності та інтенсивності звуку від відстані до джерела звуку.

Розташуйте джерело звуку (телефон) на столі, динаміком у бік шумоміра.
За допомогою шумоміра виміряйте рівень фонового шуму в аудиторії (фон).
Увімкніть генератор звуку з фіксованою частотою (наприклад, 1000 Гц) та сталою гучністю.
Вимірюйте рівень гучності при відстанях від 0, 1 м до 1,0 м з кроком 0,1 м (додатково вибираємо ще точку 0,05 м).
Результати вімірювань заносяться в таблицю.
Знайдіть різницю між β^/ та βфон
Для кожного отриманого значення β(d) обчисліть інтенсивність звуку. Для кожного значення відстані d обчисліть:

(3) $\begin{equation*}\frac{1}{d^2}\end{equation*}$

Результати обчислень занесіть до таблиці.

Частина II. Побудова графіку залежності рівня гучності від відстані та інтенсивності звуку від

(4) $\begin{equation*}\frac{1}{d^2}\end{equation*}$

Побудуйте графік β(d):
- по осі x — відстань d (м),
- по осі y — рівень звуку (дБ).
З’єднайте точки плавною лінією.
Висновок:
- 1. Як змінюється рівень звуку зі збільшенням відстані від джерела?
- 2. На яких ділянках відстаней спад рівня звуку відбувається найшвидше, а на яких — повільніше?
- 3. Чи наближається рівень звуку до фонового значення на великих відстанях?
- 4. Чому рівень звуку не спадає лінійно з відстанню, а має виражену нелінійність?
Побудуйте графік I (1/d²).
- по осі x — 1d2 (м-2),
- по осі y — I (Вт/м²)
Нанесіть точки та проведіть лінію тренду (пряму).
Висновок:
- 1. Чи є залежність I (1d2)близькою до лінійної?
- 2. Що означає отримана залежність для особливостей поширення звуку в просторі?
- 3. Які фактори можуть спричинити відхилення точок від прямої залежності?

Частина III. Дослідження впливу частоти на гучність (психоакустика).

Зафіксуйте відстань, наприклад 2 м між джерелом звуку та шумоміром.
Встановіть однаковий рівень гучності на генераторі (одна й та сама «гучність» на телефоні).
Відтворіть послідовно звуки з частотами: 500 Гц, 1000 Гц, 1500 Гц, 2000 Гц, 2500 Гц.
Для кожної частоти учні:
- оцінюють «на слух» гучність за шкалою 1–5 (1 — дуже тихо, 5 — дуже голосно);
- записують покази шумоміра (у дБ).
Порівняйте:
- при яких частотах суб’єктивна гучність більша,
- як це співвідноситься з показами шумоміра.
Зробіль висновок чи впливає значення частоти звуку на об’єктивне та суб’єктивне сприйняття гучністі.

Частина IV. Вивчення ослаблення звуку різними перешкодами

Зафіксуйте відстань 1 м між джерелом звуку та шумоміром.
Виміряйте рівень звуку без перешкод β₀ (дБ)
Між джерелом та шумоміром по черзі розміщуйте перешкоди (матеріали) Виберіть 5 перешкод (можна більше). Наприклад: поролон, товстий плед, ковдра, м’який спортивний мат, зимова куртка, шапка + шарф, пінопласт, губка для миття посуди, керамічна плитка, каструля/сковорідка, кришка від каструлі, жестяна банка, дзеркало, склянка, книга з твердою обкладинкою, пластиковий контейнер, товста папка + листи, рюкзак з речами, дошка для різання (дерево), картонна коробка (особливо двошарова), коробка + одяг всередині, рюкзак + куртка всередині, двошарова конструкція (картон + тканина).
До проведення експерименту висуньте припущення: для кожної з 5 обраних перешкод оцініть, наскільки вона, на вашу думку, добре ослаблює звук, за шкалою від 1 до 5:
- 1 — майже не ослаблює;
- 5 — дуже добре ослаблює.
Запишіть ці бали в таблицю як «очікувана ефективність».
Проведіть вимірювання. Для кожної перешкоди: розмістіть її між джерелом звуку та шумоміром; виміряйте рівень звуку β_{перешкода} (дБ)обчисліть ослаблення:

За результатом ослаблення ∆β поставте перешкоді експериментальний бал за тією ж шкалою 1–5 (1 — слабке ослаблення, 5 — сильне ослаблення).
Зроби висновок:
- Який матеріал (або тип матеріалів) найкраще ослаблює звук?
- Чи збіглися ваші очікування з реальними вимірюваннями?
- Які властивості матеріалів (м’якість, товщина, наявність повітря всередині, твердість тощо) впливають на здатність поглинати або екранувати звук?

3. Обробка результатів

Дружня порада вчителю

Тривалість до 17 хв.

Частина I. Встановлення залежності рівня гучності та інтенсивності звуку від відстані до джерела звуку.

Проведи досліди, виконай розрахунки та заповни таблицю.

№	d, м	1d2 (м-2),	фон (дБ)	/(дБ)	(дБ)	I (Вт/м²)
1	0,05
2	0,1
3	0,2
4	0,3
5	0,4
3	0,5
4	0,6
5	0,7
3	0,8
4	0,9
5	1

Частина II. Побудова графіку залежності рівня гучності від відстані та інтенсивності звуку від 1/d²

Частина III. Дослідження впливу частоти на гучність (психоакустика).

№	Частота звуку (Гц)	Оцінка гучністі «на слух» (1-5)	(дБ)
1	500
2	1000
3	1500
4	2000
5	2500

Частина IV. Вивчення ослаблення звуку різними перешкодами

№	Перешкода	Припущення (1-5)	(дБ)
1
2
3
4
5

4. Рефлексія

Дружня порада вчителю

Тривалість до 3 хв.

Дай відповіді на питання, але не від себе, а від усієї групи

Що працювало ідеально?
Що вийшло з під контролю?
Щоб було найскладнішим?
Що здивувало?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 100. Лабораторна робота №5. Дослідження звукових коливань.

Очікувані результати навчання

Мета уроку: спрямувати діяльність учнів на дослідження звуку як фізичного явища через реальні вимірювання, спостереження та аналіз даних; сприяти формуванню вмінь порівнювати об’єктивні фізичні вимірювання із суб’єктивним сприйняттям звуку.

Очікувані результати для учнівства:

розрізняє рівень звуку та інтенсивність звуку
пояснює явище затухання звуку з віддаленням від джерела
навчиться вимірювати рівень звуку за допомогою шумоміра
встановлює експериментальні залежності I та порівнює їх з теоретичними моделями
спостерігає вплив різних матеріалів на ослаблення звуку
аналізує отримані дані, будує графіки, порівнює очікування з результатами та формулює аргументовані висновки

Ключові слова:

звук
рівень звуку
децибели (дБ), інтенсивність звуку
закон обернених квадратів
поширення звуку
гучність
частота
тон
шумомір
генератор звуку
фон сигналу
поглинання звуку
відбиття звуку
екранування
психоакустика
суб’єктивне сприйняття
об’єктивні вимірювання.

План уроку:

Теоретична частина
Хід роботи
Обробка результатів.
Висновок
Додаткове завдання
Рефлексія

1. Теоретична частина

Звук — це механічні хвилі, які поширюються в середовищі, передаючи енергію від частинки до частинки без перенесення речовини. Людина сприймає звук завдяки слуховій системі, але вимірює його фізичні характеристики за допомогою приладів. Однією з таких характеристик є рівень звуку, який вимірюється в децибелах (дБ) і визначається через логарифмічну залежність від інтенсивності звуку. Інтенсивність звуку (I) — це кількість енергії, яка проходить через одиницю площі за одиницю часу (Вт/м²). Для зручності порівняння інтенсивність звуку відноситься до порогової інтенсивності слуху людини І₀=10^-12 Вт/м2, що відповідає найменшому чутному звуку. Зв’язок між інтенсивністю та рівнем звуку задається формулою:

(5) $\begin{equation*}\beta = 10 \lg \left( \frac{I}{I_0} \right)\end{equation*}$

через що шкала децибел є логарифмічною. При збільшенні відстані від джерела інтенсивність звуку зменшується, тому що звукова енергія розподіляється на більшу площу. Для точкового джерела інтенсивність зменшується обернено пропорційно квадрату відстані

(6) $\begin{equation*}I \propto \frac{1}{d^2}\end{equation*}$

якщо віддалитися вдвічі, інтенсивність зменшується приблизно в чотири рази. Саме тому звук дуже швидко слабшає з віддаленням від джерела, особливо на малих дистанціях. Іншою важливою характеристикою звуку є частота, від якої залежить тон: низькі частоти створюють відчуття гулу, а високі — писку. Людське вухо сприймає частоти нерівномірно, тому два звуки з однаковою інтенсивністю, але різною частотою можуть здаватися різної гучності. Нарешті, на розповсюдження звук впливають перешкоди та матеріали, які можуть або відбивати звук (жорсткі поверхні), або поглинати його (м’які та пористі матеріали), що широко використовується в акустичному дизайні приміщень.

2. Хід роботи

Тема: Вимірювання рівня гучності та інтенсивності звуку: дослідження залежності від відстані, частоти та перешкод.

Мета: Навчитися вимірювати рівень звуку, розраховувати інтенсивність, будувати графіки залежності рівня звуку та інтенсивності від відстані, досліджувати вплив частоти та перешкод на гучність та порівнювати суб’єктивні відчуття із результатами вимірювань.

Обладнання: 2 смартфони (один як джерело звуку, другий як шумомір), додатки: генератор тонів, шумомір, рулетка або лінійка (не менше 1 м), декілька матеріалів-перешкод (книга/зошит, светр або худі, рюкзак, картон/папка), аркуш для побудови графіків.

План проведення досліду:

Частина I. Встановлення залежності рівня гучності та інтенсивності звуку від відстані до джерела звуку.

Розташуйте джерело звуку (телефон) на столі, динаміком у бік шумоміра.
За допомогою шумоміра виміряйте рівень фонового шуму в аудиторії (фон).
Увімкніть генератор звуку з фіксованою частотою (наприклад, 1000 Гц) та сталою гучністю.
Вимірюйте рівень гучності при відстанях від 0, 1 м до 1,0 м з кроком 0,1 м (додатково вибираємо ще точку 0,05 м).
Результати вімірювань заносяться в таблицю.
Знайдіть різницю між β^/ та βфон
Для кожного отриманого значення β(d) обчисліть інтенсивність звуку. Для кожного значення відстані d обчисліть:

(7) $\begin{equation*}\frac{1}{d^2}\end{equation*}$

Результати обчислень занесіть до таблиці.

Частина II. Побудова графіку залежності рівня гучності від відстані та інтенсивності звуку від

(8) $\begin{equation*}\frac{1}{d^2}\end{equation*}$

Побудуйте графік β(d):
- по осі x — відстань d (м),
- по осі y — рівень звуку (дБ).
З’єднайте точки плавною лінією.
Висновок:
- 1. Як змінюється рівень звуку зі збільшенням відстані від джерела?
- 2. На яких ділянках відстаней спад рівня звуку відбувається найшвидше, а на яких — повільніше?
- 3. Чи наближається рівень звуку до фонового значення на великих відстанях?
- 4. Чому рівень звуку не спадає лінійно з відстанню, а має виражену нелінійність?
Побудуйте графік I (1/d²).
- по осі x — 1d2 (м-2),
- по осі y — I (Вт/м²)
Нанесіть точки та проведіть лінію тренду (пряму).
Висновок:
- 1. Чи є залежність I (1d2)близькою до лінійної?
- 2. Що означає отримана залежність для особливостей поширення звуку в просторі?
- 3. Які фактори можуть спричинити відхилення точок від прямої залежності?

Частина III. Дослідження впливу частоти на гучність (психоакустика).

Зафіксуйте відстань, наприклад 2 м між джерелом звуку та шумоміром.
Встановіть однаковий рівень гучності на генераторі (одна й та сама «гучність» на телефоні).
Відтворіть послідовно звуки з частотами: 500 Гц, 1000 Гц, 1500 Гц, 2000 Гц, 2500 Гц.
Для кожної частоти учні:
- оцінюють «на слух» гучність за шкалою 1–5 (1 — дуже тихо, 5 — дуже голосно);
- записують покази шумоміра (у дБ).
Порівняйте:
- при яких частотах суб’єктивна гучність більша,
- як це співвідноситься з показами шумоміра.
Зробіль висновок чи впливає значення частоти звуку на об’єктивне та суб’єктивне сприйняття гучністі.

Частина IV. Вивчення ослаблення звуку різними перешкодами

Зафіксуйте відстань 1 м між джерелом звуку та шумоміром.
Виміряйте рівень звуку без перешкод β₀ (дБ)
Між джерелом та шумоміром по черзі розміщуйте перешкоди (матеріали) Виберіть 5 перешкод (можна більше). Наприклад: поролон, товстий плед, ковдра, м’який спортивний мат, зимова куртка, шапка + шарф, пінопласт, губка для миття посуди, керамічна плитка, каструля/сковорідка, кришка від каструлі, жестяна банка, дзеркало, склянка, книга з твердою обкладинкою, пластиковий контейнер, товста папка + листи, рюкзак з речами, дошка для різання (дерево), картонна коробка (особливо двошарова), коробка + одяг всередині, рюкзак + куртка всередині, двошарова конструкція (картон + тканина).
До проведення експерименту висуньте припущення: для кожної з 5 обраних перешкод оцініть, наскільки вона, на вашу думку, добре ослаблює звук, за шкалою від 1 до 5:
- 1 — майже не ослаблює;
- 5 — дуже добре ослаблює.
Запишіть ці бали в таблицю як «очікувана ефективність».
Проведіть вимірювання. Для кожної перешкоди: розмістіть її між джерелом звуку та шумоміром; виміряйте рівень звуку β_{перешкода} (дБ)обчисліть ослаблення:

За результатом ослаблення ∆β поставте перешкоді експериментальний бал за тією ж шкалою 1–5 (1 — слабке ослаблення, 5 — сильне ослаблення).
Зроби висновок:
- Який матеріал (або тип матеріалів) найкраще ослаблює звук?
- Чи збіглися ваші очікування з реальними вимірюваннями?
- Які властивості матеріалів (м’якість, товщина, наявність повітря всередині, твердість тощо) впливають на здатність поглинати або екранувати звук?

3. Обробка результатів

Частина I. Встановлення залежності рівня гучності та інтенсивності звуку від відстані до джерела звуку.

Проведи досліди, виконай розрахунки та заповни таблицю.

№	d, м	1d2 (м-2),	фон (дБ)	/(дБ)	(дБ)	I (Вт/м²)
1	0,05
2	0,1
3	0,2
4	0,3
5	0,4
3	0,5
4	0,6
5	0,7
3	0,8
4	0,9
5	1

Частина II. Побудова графіку залежності рівня гучності від відстані та інтенсивності звуку від 1/d²

Частина III. Дослідження впливу частоти на гучність (психоакустика).

№	Частота звуку (Гц)	Оцінка гучністі «на слух» (1-5)	(дБ)
1	500
2	1000
3	1500
4	2000
5	2500

Частина IV. Вивчення ослаблення звуку різними перешкодами

№	Перешкода	Припущення (1-5)	(дБ)
1
2
3
4
5

4. Рефлексія

Дай відповіді на питання, але не від себе, а від усієї групи

Що працювало ідеально?
Що вийшло з під контролю?
Щоб було найскладнішим?
Що здивувало?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе