1. ОПЫТ ПРОВЕДЕНИЯ ДИСТАНЦИОННОГО КУРСА «ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ЗВУКА″ ДЛЯ УЧЕНИКОВ 9-11 КЛАССОВ Луганский государственный институт культуры и искусств Воронкин А. С.

6. ОРГАНИЗАЦИЯ ДИСТАНЦИОННОГО КУРСА С 29 октября по 30 декабря 2011 года, для учеников 9-11 классов средних учебных заведений автором был проведен открытый дистанционный курс «Введение в физику звука». В основу курса был положен авторский курс лекций, прочитанный на подготовительном отделении Луганского государственного института культуры и искусств в 2010-2011 годах. Принять участие в курсе изъявили желание 22 слушателя из Украины (Луганска и Закарпатская области), Африки (Египет, Нью-Дели, республика Ботсвана), Иордании (Ирбид), Индии (Чандигарх, Бангалор), Алжира, Шри-Ланки, Саудовской Аравии и Российской Федерации. Интерес проявили не только ученики, но и педагоги, однако препятствием полноценного участия стал языковой фактор. Из всех участников наиболее активными были 7 слушателей из Украины (Луганск) и США (Бостон). Высокую подготовленность ко всем занятиям показали только 2 слушателя.

7. Сообщение о наборе в группу размещалось на нескольких форумах, на сайте Всероссийского съезда учителей физики «Педсовет.org», в социальной сети «Украинские ученые в мире». Информация о проведении каждого занятия публиковалась в разделе новостей информационно-образовательного портала «Технологии дистанционного образования». Соответствующее сообщение размещалось в Twitter-блоге со следующим кросспостингом в социальной сети Facebook. Twitter- публікація Кросспостинг в Facebook

8. Для проведения вебинаров использовалась платформа WizIq , демонстрация физических экспериментов проводилась благодаря встроенному Media Player, с помощью которого ретранслировались видео-ресурсы сервиса Youtube. Дополнительно в Youtube были загружены видео-фрагменты лекций с других Интернет-источников, показ которых был согласован с авторами (правообладателями). Для консультирования слушателей использовалась электронная почта (иногда система IP-телефонии Skype). Главной идеей было то, чтобы все используемые сервисы Интернет были бесплатными и доступными для освоение учениками

9. ИЗ ПЕРЕПИСКИ С ВОЛТЕРОМ ЛЕВИНОМ "Dear Alexey. Thanks for your kind words! You can watch 101 of my lectures (with great demos) on the web, 94 on OpenCourseWare (OCW) and 7 on MITWorld. They can also be viewed on YouTube, iTunes U, Academic Earth and Facebook. These lectures arebeing watched by about 3000 people daily from all over the world, that's a million people per year! Many teachers show them regularly in their class rooms. The many responses that I receive daily are quite wonderful and often very moving...” Greetings, Walter H.G. Lewin , 1 4.02.2011

10. Курс был рассчитан на 8 занятий: 6 лекционных, 1 семинарское и итоговое занятие, которые проходили в виртуальных он-лайн классах в форме вебинаров. Организационные формы дистанционного курса приведенны в таблице Организационные формы обучения Форма обучения Объем часов, из них: всего лекционные занятия семинарские занятия самостоятельная работа Дистанционная 28 12 2 14

11. Особенностью было то, что участники читали только тот учебный материал, который непосредственно заинтересовал их из рекомендованного списка библиографических источников ( http://www.tdo.at.ua/voronkin/literatura.pdf ). Тематический план дистанционного курса приведен в таблице Дата Темы занятий К-во часов Форма занятий 29.10.11 Физика и методы научного познания 2 Лекция 30.10.11 Механические колебания 2 Лекция 13.11.11 Волновые процессы и звук 2 Лекция 27.11.11 Резонанс. Интерференция и дифракция 2 Лекция 03.12.11 Стоячие волны и музыкальные инструменты 2 Лекция 11.12.11 Биения . Характеристики звука 2 Лекция 29.12.11 Инфра -, ультразвуки и их применение 1 Семинар 30.12.11 Итоговое занятие 1 Семинар

12. Активизация познавательной деятельности слушателей во время обучения Основой курса стало детальное описание многих экспериментов с большим количеством видео-сопровождения (на 1 занятие - до 10 демонстраций), что повышало заинтересованность и желание участников повторить эксперимент (деятельностный подход). При подготовке к семинарскому занятию участники самостоятельно определяли перечень вопросов к обсуждению по указанной темой и создавали презентационное сопровождение . С целью организации самостоятельной работы и углубленной обработки тем курса участникам был рекомендован ряд статей из научно-популярного журнала «Квант» . Также было предложено ознакомиться с книгой В. Турчина « Феномен науки: Кибернетический подход к эволюции » и автобиографической книгой Р. Фейнмана « Какое тебя дело к тому, что думают другие ». Следует отметить, что наиболее сложные вопросы дистанционного курса разбирались без применения сложного математического аппарата , а во время занятий системно создавались такие ситуации , чтобы слушатели на основе анализа фактов и наблюдение явлений самостоятельно строили заключения, отвечали на нескладные , но интересные вопросы.

13. Тема 1. Физика и методы научного познания Предмет физики. Физика как наука о природе. Классификация наук. Методы научного исследования. Соотношение теории и эксперимента в физике. История и роль больших экспериментов. Исследование Вселенной. Субъективные наблюдения на примере оптических иллюзий. Международная система СИ. Кратные и дольные единицы СИ. Цель занятия : формирование мировоззренческого восприятия физической реальности, общего представления о физическом мир е , его теоретических основах и метод ах познания, осознание роли физических знаний в жизни человека и общественном развити и . Видео-демонстрации 1. Проявления инерции: а) резкое выдергивание скатерти из-под сосуда с жидкостью; б) монета, которая падает в бутылку при резком выбивании бумажного кольца. 2. Биографические фильмы о выдающихся ученых из серии Encyclopedia channel (Аристотель, Г. Гал и лей, Э. Резерфорд). 3. Фрагменты видео-интервью Р. Фейнмана: а) в научном подходе и революциях в науке на примере шахматной игры; б) о реборда х в поезд ах ; в) об изучении и понимании Вселенной. 4. Эксперименты на большом адроном коллайдере.

14. П Р И М Е Р Ы 1. Ускорение свободного падения Аристотель (384-322 до н.э.) Наблюдения показывают, что перышко парит в воздухе гораздо дольше падающего камня. Скорость падения пропорциональна массе тела: чем больше масса тела, тем тело быстрее падает . Галилей (15.02 1564 - 8.01.1642) Метод абстрагирования и упрощения (идеализация). На Земле в отсутствии сопротивления воздуха все тела падают с одним и тем же ускорением .

15. Камень и перо брошены одновременно в воздухе (а) и вакууме (б) Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно. Но всегда находится невежда, который этого не знает. Он – то и делает открытие А. Эйнштейн Во времена Галилея провести эксперимент в вакууме было невозможно. Говорят, что Галилей демонстрировал ложность утверждения Аристотеля, бросая предметы с накренившейся башни в итальянском городе Пиза.

16. Мяч и листок бумаги брошены одновременно (а), тот же опыт, но бумага скомкана (б) На полюсе g=9 ,832 м/с 2 На экваторе g=9 ,780 м/с 2 На Луне g= 1,623 м/с 2 Ускорение свободного падения Воздух оказывает сопротивление любому падающему телу. Чем больше будет площадь поверхности листа, тем больше сопротивление воздуха и тем медленнее он будет падать. Какой принцип положен в устройство работы парашюта?

17. Аристотель Находящееся на земле тело, получившее начальный толчок, всегда останавливается. Естественное состояние тела - покой, а движется оно только под влиянием силы или импульса. Отсюда следовало, что тяжелое тело должно падать быстрее легкого, потому что оно сильнее притягивается к Земле. Галилей Если мысленно представить, что трение отсутствует, то тело, получившее начальный толчок на горизонтальной поверхности, продолжало бы двигаться безостановочно в течение неопределенно долгого времени. ВЫВОД : естественным состоянием тела является покой ВЫВОД : для тела состояние движения также естественно, как и состояние покоя 2. Естественное состояние тела Галилео Галилей стал использовать опыт, как средство проверки гипотез и обнаружения новых фактов. Он доказал, что в суждениях о природе необходимо оперировать свойствами, которые можно точно измерить.

18. Видите волнообразное смещение ? Это не анимация – картинка статична П Р И М Е Р Ы СУБЪЕКТИВНОГО НАБЛЮДЕНИЯ

19. Какой отрезок больше – А или Б? Какой отрезок больше А-Б или Б-В? Какое расстояние больше – между точками А и Б или между точками В и Г? (отрезки одинаковы) (отрезки равны между собой) (расстояние одинаково)

20. Тема 2. Механические колебания Понятие колебаний. Механические колебания и волны. Колебательное движение. Свободные колебания. Амплитуда, период, частота. Гармоничные колебания и осцилляторы. Математический и пружинный маятники. Вынужденные колебания и резонанс. Автоколебательные системы. Классификация колебаний. Цель занятия : знакомство с одним из наиболее распространенных движений в природе и технике – колебательным движением, его видами и характеристиками, а также резонансными явлениями. Видео-демонстрации 1. Экспериментальное подтверждение закона Гука. Нелинейные деформации. 2. Свободные колебания: а) груз на нити; б) груз на пружине; в) зависимость периода колебания груза на пружине от ее жесткости и массы груза; г) гармоничные колебания математического и пружинного маятников; д) зависимость периода колебания груза на нити от ее длины. 3. Вынужденные колебания и резонанс: а) резонанс маятников; б) разрушение Такомского моста; в) разрушение стеклянного бокала при резонансе. 4. Автоколебания маятника в часах. 5. Биографический фильм о Х. Гюйгенсе из серии Encyclopedia channel.

21. 1. Пусть на крышке стола тело массой m равномерно вращается по окружности . Если мы посмотрим сверху, то увидим, что движение происходит по окружности . А вот человек, который смотрит “ в торец ” стола и видит проекцию кругового движения на ось х, может подумать, что наблюдает колебательное движение туда и обратно . П Р И М Е Р Ы Как можно определить колебания ?

22. Здесь по оси абсцисс откладывается время колебания, а по оси ординат – значения проекции радиуса-вектора движущейся точки в соответствующий момент времени. Оказывается, что равномерное движение вращающейся по окружности материальной точки также происходит по синусоидальному закону .

23. Если разрезать рулончик бумаги наискось и развернуть его, то край бумаги окажется разрезанным по синусоиде .

24. П Р И М Е Р Источник : Benjamin Crowell. Vibrations and Waves. - Edition 2.1, 92 p. (ISBN 0-9704670-3-6)

25. Тема 3. Волновые процессы и звук Возникновение волны. Точечный источник волн. Волновой процесс. Поперечные и продольные волны. Поверхностные волны. Связь между длиной волны, скоростью ее распространения и периодом. Волновая поверхность и фронт волны. Уравнение плоской волны. Звуковые волны в воздухе. Скорость распространения звука. Цель занятия: ознакомить участников с волновыми явлениями, ввести понятие поперечных, продольных и поверхностных волн, волновой поверхности, фронта волны. Дать понятия о звуковых волнах и скорости их распространения в разных средах. Видео-демонстрации 1. Демонстрация поперечных и продольных волн: а) поперечная волна вдоль однородного шнура; б) продольные волны вдоль пружины; в) волновая машина Зворыкина; г) источники звука. 2. Свойства газов: а) заполнение молекулами всего объема сосуда сквозь отверстие в перегородке; б) зависимость скорости движения молекул от температуры; в) изменение скорости звука в газах при изменении молярной массы и температуры.

26. Представьте себе, что группа людей (например на стадионе) встает и присаживается обратно вниз, люди, находящиеся вблизи видят их, и также встают и т.д. Очень скоро такая волна распространится по всему стадиону. А люди остаются на своих местах . Источник : Асламазов Л. Как волны передают информацию? / Л. Асламазов // Научно-популярный физико-математический журнал «Квант», 1986. – №8. – С. 20–24 Источник : http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/waves-intro/waves-intro.html

27. Распространение звука в воздухе начинается с колебаний плотности воздуха у поверхности колеблющегося тела (источника), которые последовательно передаются все к более удаленным частицам среды . Как видно из следующего рисунка в области гребня волны молекулы находятся ближе друг к другу (фаза сжатия) – там давление выше атмосферного, а в области впадины волны (фаза разрежения) – давление ниже атмосферного.

28. В о п р о с Известно, что в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твердых телах. Очень часто ученики объясняют это тем, что плотность жидкостей и твердых тел больше, чем у газов. Но как тогда объяснить, что скорость звука в газе уменьшается при увеличении его молекулярной массы, т.е. плотности. Например при вдыхании ксенона (М=131·10 -3 кг/моль) голос человека становится более низкочастотным, а при вдыхании гелия (М=4·10 -3 кг/моль) становится более высокочастотным (изменение частоты объясняется изменением скорости звука в газах – f=υ/λ ). Попробуйте объяснить и найти недостатки в приведенном объяснении.

29. В о п р о с Почему нельзя услышать звон колокола, находящегося внутри сосуда, из которого откачан воздух? Опыт Роберта Бойля, 1660 год На вакуумной тарелке закрепляют электрический звонок . Тарелку накрывают колоколом и подключают звонок к источнику питания . После этого начинают отсасывать воздух из-под колокола насосом, при этом постепенно громкость звонка уменьшается. После того, как достигнуто максимальное для насоса разрежение, звонок едва слышен. Английский физик, химик и философ, один из учредителей Лондонского королевского общества. Ввел в химию экспериментальный метод, положил начало химическому анализу. Установил один из газовых законов (закон Бойля – Мариотта, 1662 г.). Роберт Бойль ( 1627 - 1691 )

30. Тема 4. Акустические резонансные явления. Интерференция и дифракция Акустический резонанс. Эксперимент с гибкой однородной нитью. Эксперимент с резонаторами Г. Гельмгольца. Отражение и преломление волн. Эхо и реверберация. Принцип суперпозиции. Интерференция звуковых волн. Условия возникновения максимумов и минимумов. Интерференция и закон сохранения энергии. Дифракция. Цель занятия : ознакомить слушателей на примере акустических резонансных явлений с некоторыми музыкальными инструментами, дать представления об интерференции, дифракции, эхе и реверберацию, объяснить принцип суперпозиции. Видео-демонстрации 1. Непривычные музыкальные инструменты: а) инструмент на стеклянных бокалах («поющий бокал»); б) гармоника Франклина; в) тибетские «поющие» чаши; г) эоловая арфа. 2. Акустический резонанс: а) эксперимент с камертонами; б) эксперимент с гибкой однородной нитью; в) эксперимент с резонаторами Гельмгольца; г) ящик - резонатор камертона. 3. Биографический фильм о Германе Гельмгольца из серии Encyclopedia channel. 4. Законы отбивания и преломление волн (на примере света). 5. Интерференция и дифракция волн на поверхности воды. Принцип Гюйгенса-Френеля.

31. Необыкновенный музыкальный инструмент Возьмите бокал с тонкими стенками, тщательно вымойте горячей водой с мылом сам бокал и ваши руки для обезжиривания. Если влажным пальцем с легким нажимом скользить по верхней кромке бокала, совершая вращательные движения рукой получится чистый, красивый звук. В XVIII в. этот инструмент был особенно популярен в Англии : в 1746 г. К.-В.Глюк дал концерт, играя на 26 стеклянных бокалах. Что вызывает звучание и почему палец должен быть влажным и не жирным ? Чем определяется частота звука ? Как колеблется край бокала – продольно или поперечно ? В о п р о с

32. Гармоника Франклина Фотография стеклянной гармоники Б. Франклин за инструментом

33. Эксперимент с гибкой однородной нитью Набор из двадцати двух резонаторов Гельмгольца , Университет Вандербильта Резонаторы Германа Гельмгольца

34. Тема 5. Стоячие волны и музыкальные инструменты Стоячие волны в струнах и трубах. Демонстрация звуковой стоячей волны с помощью трубы Рубенса и трубы Кундта. Метод Кенига. Демонстрация звуковой волны в трубе Рийке. Собственные колебания плоских фигур. Стоячие волны на поверхности воды. Геометрия звуковых вибраций в контейнере с коллоидной жидкостью (фигуры с двухмерной и трехмерной структурой). Цель занятия : ознакомить слушателей с природой стоячих волн в струнах, трубах и пластинах. Видео-демонстрации 1. Возникновение стоячих волн в струнах. 2. Связь между основной частотой открытой трубы и ее длины. Труба Рийке. 3. Визуализация стоячих волн в трубах: а) метод Рубенса; б) метод Кундта. 4. Визуализация стоячих волн в пластинках: а) колебание мембран; б) фигуры Хладни. 5. Манометрическая горлка Кенига.

36. В ПУЧНОСТЯХ ОТКЛОНЕНИЯ КОЛЕБЛЮЩИХСЯ ЧАСТИЦ ОТ ИХ РАВНОВЕСНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ МАКСИМАЛЬНЫ, А В УЗЛАХ РАВНЫ НУЛЮ Walter Fendt . Physics Applets . – Режим доступа : http://www.walter-fendt.de/ph14ru/stlwaves_ru.htm

37. Итак, основная частота равна В закрытой трубе имеются только нечетные гармоники, т.е. частоты обертонов равны основной частоте, умноженной на 3, 5, 7, .... Звуковая волна, частота которой равна частоте основной волны, умноженной на 2, 4, ..., не может иметь узел на одном конце и пучность на другом, а, значит, стоячие волны такой частоты в закрытой трубе не могут существовать.

38. Демонстрация звуковой стоячей волны при помощи трубы Рубенса Формирование областей повышенного и пониженного давления в трубе Рубенса Для демонстрации связи между звуковыми волнами и давлением газа воспользуемся трубой Рубенса. На одном из торцов горизонтально расположенной трубы, перфорированной по всей длине, прикреплена мембрана, а ко второму подключен источник горючего газа (например, пропан). В 1904 году немецкий физик Генрих Рубенс во время эксперимента использовал 4х-метровую трубу, в которой насчитывалось 200 отверстий с шагом 2 см.

40. Фигуры, образуемые скоплением сыпучих мелких частиц (например, песка и т.д.) вблизи неподвижных (узловых) линий на поверхности упругой колеблющейся пластинки называют фигурами Хладни . Вид фигур зависит от формы пластинки и положения закрепленной точки, а также от того, в каком месте проводить смычком и где придерживать при этом пластинку пальцами.

42. В о п р о с Если на закрепленный в центре металлический диск насыпать смешанный песок с мелкой пылью, а по краю диска проводить смычком, то песок создает один геометрический узор, а пыль совсем другой. Т.е. когда диск вибрирует, песок и пыль разделяются и образовывают независимые узоры. Объясните чему это происходит.

43. Тема 6. Би ения . Характеристики звука Би ения . Субъективные характеристики звука (громкость, высота и тембр звука). Объективные характеристики звука (интенсивность, частота и спектр). Зависимость скорости распространения волн от свойств среды. Интервалы в музыке. Логарифмический закон Вебера-Фехнера. Уровень громкости звука. Строение органа слуха человека. Цель занятия : исследовать субъективные и объективные характеристики звука, ознакомиться с восприятием звука человеком. Видео-демонстрации 1. Бие ния : а) запись биений песком; б) бие ния на камертонах; в) бие ния на осциллографе. 2. Зависимость громкости звука от амплитуды колебаний. 3. Зависимость высоты тона от частоты колебаний. 4. Влияние фазы высших гармоник на тембр. 5. Амплитудно-частотные спектры звуковых колебаний. 6. Механизм работы слухового аппарата.

44. Би ения Спектр

45. Логарифмический закон восприятия Вебера–Фехнера. Уровень громкости звука Если интенсивность звука будет возрастать линейно, то человек ощутит увеличение громкости ступенчато. Чем это объясняется и по какому закону надо изменять интенсивность звука, чтобы человек ощутил линейное изменение громкости? В о п р о с

46. Упрощенное устройство органа слуха Почему человек слышит звуки только в диапазоне 20-20000 Гц? Орган слуха состоит из наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо состоит из ушной раковины, наружного слухового прохода и барабанной перепонки. Среднее ухо – небольшая полость, заполненная воздухом (+ цепь соединенных между собой косточек: молоточка, наковальни и стремечка). Внутреннее ухо – это полость, свернутая улиткой и заполненная жидкостью. Внутреннее ухо соединено со средним с помощью овального окна, в котором неподвижно укреплена подножная пластинка стремечка.

47. Тема 7. Инфра-, ультразвуки и их применение (семинарское занятие) Инфра- и ультразвуки: источника и применение, действие на организм человека. Обратный пьезоэлектрический эффект. Магнитострикция. Ультразвуковая и гидродинамическая кавитации. Сонолюминесценция. Цель семинарского занятия : овладение навыками и умениями использования теоретического знания. Видео-демонстрации 1. Применение ультразвука: а) в медицине, б) в дефектоскопии, в) в технологиях сваривания. 2. Гидростатическая и ультразвуковая кавитации. Сонолюминесценция. 3. Инфра- и ультразвуковое оружие.

48. Семинарское занятие (выступает с докладом ученик 10 класса коммунального учреждения "Луганская среднеобщеобразовательная школа № 18" Дмитрий Севастьянов)

50. Была выявлена низкая информированность учеников Украины о возможностях дистанционного обучения . Участие в дистанционном курсе позволило участникам не только расширить знания по данной теме, но и активизировать познавательный интерес к дальнейшему изучению физики, развить креативное мышление . По окончанию дистанционного курса у некоторых участников возникло желание принять участие в новом виртуальном наставительно-познавательном проекте . Презентации всех проведенных занятий размещенные в платформе SlideShare и доступны для открытого просмотра, а потому вместе с видео-демонстрациями Youtube могут быть использованные повторно уже в асинхронном режиме . Материалы будут полезные для учеников старших классов общеобразовательных школ, абитуриентов, слушателей подготовительных отделений ВУЗов, а также слушателей секций физики Малой академии наук учащейся молодежи Украины. В Ы В О Д Ы http://tdo.at.ua/news/zvuk/2012-01-07-51