Организация исследовательского домашнего эксперимента в школьном курсе физики по теме «Звук»

Большое влияние на дальность распространения звука оказывает дифракция, то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч и, соответственно, тем меньше дальность распространения звука (Хорбенко, 1986).

Инфразвук, ультразвук, гиперзвук.

Инфразвук – упругие колебания и волны с частотами, лежащими ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают 15-4- Гц; такое определение условно, поскольку при достаточной интенсивности слуховое восприятие возникает и на частотах в единицы Гц, хотя при этом исчезает тональный характер ощущения, и делаются различимыми лишь отдельные циклы колебаний. Нижняя частотная граница инфразвука неопределённа. В настоящее время область его изучения простирается вниз примерно до 0,001 Гц. Таким образом, диапазон инфразвуковых частот охватывает около 15-ти октав.

Инфразвуковые волны распространяются в воздушной и водной среде, а также в земной коре ( в этом случае их называют сейсмическими и их изучает сейсмология). К инфразвукам относятся также низкочастотные колебания крупногабаритных конструкций, в частности транспортных средств, зданий.

Основная особенность инфразвука, обусловленная его низкой частотой, - это малое поглощение. При распространении в глубоком море и в атмосфере на уровне земли инфразвуковые волны частоты 10-20 Гц затухают на расстоянии 1000 км не более чем на несколько Дб (децибелл). Из-за большой длины волны на инфразвуковых частотах мало и рассеяние звука в естественных средах; заметное рассеяние создают лишь очень крупные объекты – холмы, горы, крупные здания и др. Вследствие малого поглощения и рассеяния инфразвук может распространяться на очень большие расстояния. Известно, что звуки извержения вулканов, атомных взрывов могут многократно обходить вокруг земного шара, сейсмические волны могут пересекать всю толщу Земли. По этим же причинам инфразвук почти невозможно изолировать, и все звукопоглощающие материалы теряют свою эффективность на инфразвуковых частотах.

Источниками инфразвука, связанными с человеческой деятельностью, являются взрывы, орудийные выстрелы, ударные волны от сверхзвуковых самолётов, акустическое излучение реактивных двигателей и др. Всякий очень громкий звук несёт с собой, как правило, и инфразвуковую энергию. Характерно, что излучением инфразвука сопровождается процесс речеобразования. Существенный вклад в инфразвуковое загрязнение среду дают транспортные шумы как аэродинамического, так и вибрационного происхождения.

Установлено, что инфразвук с высоким уровнем интенсивности(120Дб и более) оказывает вредное влияние на человеческий организм. Ещё более вредными являются инфразвуковые вибрации, поскольку при их воздействии могут возникать опасные резонансные явления отдельных органов. Мощный инфразвук может вызывать разрушение и повреждение конструкций, оборудования. Вместе с тем инфразвук вследствие большой дальности распространения находит полезное практическое применение при исследовании океанической среды, верхних слоёв атмосферы, при определении места извержения или взрыва. Инфразвуковые волны, излучаемые при подводных извержениях, позволяют предсказать возникновение цунами.

Ультразвук – упругие волны с частотами приблизительно от (1,5 – 2)·104Гц (15 – 20 кГц) до 109 Гц(1ГГц); область частотных волн от 109 до 1012 – 1013 Гц принято называть гиперзвуком. По частоте ультразвук удобно подразделять на 3 диапазона: ультразвук низких частот(1,5·104 – 105Гц), ультразвук средних частот(105 – 107Гц), область высоких частот ультразвука(107 – 109Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

По физической природе ультразвук представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн, имеет место ряд особенностей распространения ультразвука.

Ввиду малой длины волны ультразвука, характер его определяется прежде всего молекулярной структурой среды. Ультразвук в газе, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, - затухание в них значительно меньше. Поэтому области использования ультразвука средних и высоких частот относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и в газах применяют ультразвук только низких частот.

Ультразвуковым волнам было найдено больше всего применения во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, в медицине, в быту, ультразвук использовали для бурения нефтяных скважин и т.д. От искусственных источников можно получить ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см2.

Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и др. Летучие мыши во время полёта издают короткие звуки высокого тона. В своём полёте они руководствуются отражениями этих звуков от предметов, встречающихся на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только эхом от своей мелкой добычи. Кошки и собаки могут слышать очень высокие свистящие звуки (ультразвуки).

Гиперзвук – это упругие волны с частотами от 109 до 1012 – 1013 Гц. По физической природе гиперзвук ничем не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшей, чем в области ультразвука, длинам волн значительно более существенными становятся взаимодействия гиперзвука с квазичастицами в среде – с электронами проводимости, тепловыми фононами и др.. Гиперзвук также часто представляют как поток квазичастиц – фононов.

Область частот гиперзвука соответствует частотам электромагнитных колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов(так называемые сверхвысокие частоты).Частота 109 Гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре должна быть одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе при этих же условиях. Однако упругие волны могут распространяться в среде только при условии, что их длина волны заметно больше длины свободного пробега частиц в газах или больше межатомных расстояний в жидкостях и твёрдых телах. Поэтому в газах ( в частности в воздухе) при нормальном атмосферном давлении гиперзвуковые волны распространяться не могут. В жидкостях затухание гиперзвука очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошо гиперзвук распространяется в твёрдых телах – монокристаллах, особенно при низкой температуре. Но даже в таких условиях гиперзвук способен пройти расстояние лишь в 1, максимум 15 сантиметров.

глава 1. Методика организации и проведения

домашней экспериментально-исследовательской

деятельности учащихся в современном учебном

процессе по физике

1.1. Понятие о домашнем эксперименте

Экспериментальные работы могут выполняться учащимися в классе (лаборатории), а нередко с большим успехом и большой пользой могут быть выполнены дома. В первом случае экспериментальные работы называются лабораторными работами, а во втором - домашними экспериментальными работами.

Домашние экспериментальные работы - это вид домашней работы учащихся. Под домашними экспериментальными работами учащихся следует понимать домашние опыты и наблюдения, проводимые учащимися  по заданию учителя в строгом соответствии с проходимым в данное время материалом программы (при подготовке урока дома). Ясно, что это не будет заменой классного эксперимента или его умалением. Больше того:

домашние экспериментальные работы должны явиться мостом, перекинутым от классного эксперимента, осуществляемого учителем или под его постоянным руководством учащимися на фабричных приборах, к повседневным обыденным явлениям, происходящим в окружающей ученика домашней обстановке. А это и есть одно из средств борьбы с формализмом в знаниях учащихся. Следует подчеркнуть важность того, чтобы по возможности домашние эксперименты проводились учениками с предметами обихода и подручными материалами. Только в исключительных случаях следует допускать при проведении домашних экспериментов учеников использование фабричных приборов. А именно тогда, когда важный опыт не может быть никак осуществлен только с помощью предметов домашнего обихода и подручных материалов. Например, опыты по калометрии не могут быть осуществлены без наличия у ученика термометра. Эти опыты проделают все ученики только в том случае, если термометры будут даны из физического кабинета школы каждому ученику.

Важнейшим отличительным признаком домашних экспериментальных работ является  тот факт, что они осуществляются с предметами домашнего обихода и подручными материалами.

Это имеет не только чисто практическое значение, заключающееся в том, что при этом условии домашние эксперименты может осуществить каждый ученик, но и большое образовательное значение, так как ученик приучается видеть физику «на каждом шагу», воспитывает  в себе находчивость, изобретательность и другие ценные качества.

Обычно значительная доля учебной работы ученика протекает дома и не сопровождается экспериментом. В недостаточном использовании эксперимента и состоит одна из причин зарождения формализма в знаниях учащихся.

Общеизвестно, что во всей работе учащегося важны единство мышления и действия, неразрывная связь умственной работы и практической деятельности. Ограничение домашней работы только работой над книгой, без постоянного общения с живой природой, приводит к увеличению времени, затрачиваемого учеником на понимание того или иного явления природы, а нередко - к непониманию и зубрежке. Но общеизвестно также и то, что даже хорошая постановка классного эксперимента еще не исключает зарождения элементов формализма в знаниях учащихся, так как у учащихся могут возникнуть представления, что все изучаемое осуществимо лишь с помощью фабричных приборов и мастерства учителя. Опыты с самыми обычными бытовыми предметами и материалами «всегда возбуждали живой интерес в среде преподавателей». «Ученики начинают отчетливо понимать, что физика действительно всюду вокруг нас, а не только в физическом кабинете». Поэтому домашние экспериментальные работы являются не временной мерой, вызванной трудностями нормальной подстановки школьного эксперимента, а важным средством обучения, вытекающим из самой сущности физики, из принципов педагогики и из целей преподавания физики как учебного предмета.

Значение домашних экспериментальных работ может быть выражено в виде следующих положений:

Основное значение домашних экспериментальных работ состоит в том, что они, будучи отобраны в строгом  соответствии с программным материалом, расширяют область применения принципа наглядности в преподавании физики и являются, таким образом, дополнительным средством для более глубокого и сознательного усвоения материала, проходимого в классе.

Домашние экспериментальные работы  раскрывают учащимся связь изучаемых физических законов с окружающими обыденными явлениями. Они связывают физику, изучаемую на готовых приборах физического кабинета, с постоянно происходящими физическими явлениями, показывая учащимся, что 2физика вокруг нас» и что « физика на каждом шагу». Эти же работы дополняют эксперимент, перебрасывая мост между школьным физическим экспериментом и происходящими в естественной обстановке явлениями природы.

Домашние экспериментальные работы  учащихся дают возможность хорошо связать теорию с практикой, с обыденной жизнью.

Уже в теме «Измерения» 6 класса могут быть даны такие домашние работы, которые намечают  пути разрешения ряда важных практических задач. Например, определение веса стены.

Экспериментальные работы помогают учащимся убедиться в справедливости научных положений, которые они изучают на уроках.

Учитель в процессе преподавания опирается на жизненный опыт учащихся. Учащиеся знакомы с огромным количеством явлений природы еще до изучения физики благодаря своему повседневному опыту. Однако жизненный опыт, накапливаемый независимо от направляющего действия учителя, у различных учеников различен и носит случайный характер. Ученик многие явления уже «наблюдал», но далеко не всегда у него остается впечатление от того качества явления, которое учителю необходимо сейчас на уроке для объяснения. Этому, как и накоплению дальнейшего жизненного опыта ученика в правильном направлении, должен помочь учитель через домашние опыты и наблюдения. Домашние экспериментальные работы  могут явиться хорошим средством предварительной систематизации жизненного опыта ученика.

Домашние экспериментальные работы  являются одним из средств привития любви к физике, как и всякое самостоятельное экспериментирование учащихся.

Самостоятельное выполнение учащимися опытов и изготовление простейших физических приборов при домашних экспериментальных работах, необходимость пользоваться различными инструментами(молоток, отвертка, нож, пила и т.д.), монтировать приборы из частей, заменять один отсутствующий материал другим- все это дает связь теории с практикой и прививает практические навыки.

       Предлагаемые учащимся домашние опыты нередко являются лишь примерными, так как у учащихся могут не оказаться под руками необходимые материалы. Учащиеся должны  приучаться заменять одни материалы другими, которые находятся в наличии. Необходимость такой замены не только прививает практические навыки, но и приучает учащихся к находчивости и возбуждает у них проблески изобретательской и конструкторской мысли.

Если рассмотреть все домашние экспериментальные работы с точки зрения обеспечения учащихся необходимыми для их выполнения приборами и принадлежностями, то они могут быть разделены на 3 группы:

1-я группа. Домашние работы, рассчитанные на предметы домашнего обихода, и подручные материалы, безусловно, доступные всем учащимся. К этой группе относится большинство работ, предлагаемых в ч. 2.

2-я группа. Домашние экспериментальные работы, предусматривающие наличие у учащихся определенных навыков по изготовлению самодельных приборов и необходимых для этой цели материалов.

3-я группа. Домашние экспериментальные работы, строящиеся на приборах и принадлежностях, выдаваемых из школьного физического кабинета.

Все эти работы при правильной организации принесут большую пользу. Однако наибольшее развитие в массовой школе, особенно семилетней, могут получить лишь работы первой и частично третьей группы. Содержанием настоящего пособия и будет освещение методики проведения главным образом работ этих двух первых групп.

В зависимости от глубины изучения явления домашние экспериментальные работы, как и классные лабораторные работы, можно разделить на качественные и количественные. Качественные экспериментальные работы имеют более благоприятную почву для домашнего их выполнения, чем количественные.

Чтобы качественные работы не превратились для учащихся в забаву, нужно, чтобы каждая такая работа давалась учителем в строгом соответствии с программой, с проходимым материалом и с обязательной постановкой перед учащимися ряда вопросов, на которые они должны дать письменные ответы, сопровождаемые рисунками и схемами.