Lidský sluch

1. Úkol: Experimenty na téma akustika a lidský sluch

úvod do akustiky

zvuk, jeho šíření

lidský sluch

experimenty na téma akustika a lidský sluch

Čas: 2 vyučovací hodiny

Pomůcky a materiál:

Pro jednu skupinu na jeden experiment:

1. balónek, nůžky, plechovka od pití, plastová láhev, lepenka

2. dvě krabičky od naukového dortu, potravinová fólie, izolepa, dortová forma, pingpongový míček, tři brčka a voda

3. dva stejné deštníky, budík, rádio

Hlavní a dílčí cíle:

seznámení se s lidským sluchem a základními pravidly souvisejícími se šířením zvuku

porovnávat akustické vjemy

uvědomit si souvislost mezi mechanickým kmitáním, vlněním a šířením zvuku látkovým prostředím

schopnost realizovat a prezentovat experiment před publikem

řešení úkolů z akustiky na základě experimentu a vyvozování správných závěrů z experimentu

Mezipředmětové vztahy a přesahy:

hudební výchova – barva a výška tónu

biologie – složení ucha, sluch

matematika – hladina hlasitosti, logaritmus

Klíčové kompetence:

Kompetence k učení – žák je efektivně využívá v procesu učení, plánuje a organizuje vlastní učení, vyhledává a třídí informace a na základě jejich pochopení, samostatně pozoruje a experimentuje, získané výsledky porovnává a vyvozuje z nich závěry pro další využití

Kompetence k řešení problémů - žák rozpozná a pochopí problém, přemýšlí o nesrovnalostech a jejich příčinách, promýšlí a plánuje způsob řešení problémů, ke kterým využívá vlastních úsudků a zkušeností, je schopen vyhledat informace vhodné k řešení problémů, využívá získané vědomosti a dovednosti, samostatně řeší problémy a vhodně volí způsoby řešení

Kompetence komunikativní - žák formuluje a vyjadřuje své myšlenky a názory účinně se zapojuje do diskuze obhajuje svůj názor, toleruje názor druhých lidí, avšak umí i vhodně argumentovat využívá informační a komunikační prostředky

Kompetence sociální a personální – žák spolupracuje ve skupině, zapojuje se do diskuze v malé skupině i v celé třídě, obhajuje svoje myšlenky a názory

Kompetence pracovní – žák používá bezpečně a účinně pomůcky, materiály a nástroje, dodržuje jasně vymezená pravidla dokáže se adaptovat na změněné nebo nové pracovní podmínky, využívá nabyté znalosti a zkušenosti získané v jednotlivých vzdělávacích oblastech v zájmu vlastního rozvoje 

2. Obecný úvod k tématu:

Akustika je fyzikální disciplína, která  se zabývá zvukem od jeho vzniku přes přenos prostorem až po vnímání lidskými smysly.

Dělíme ji na další poddisciplíny – např. hudební akustika zkoumá fyzikální základy hudby a hudebních nástrojů, stavební akustika zvukové jevy a souvislosti v uzavřeném prostoru, v budovách a stavbách, prostorová akustika šíření zvuku v obecném prostoru, fyziologická akustika se zabývá vznikem zvuku v hlasovém orgánu člověka a jeho vnímáním v uchu. 

Zvuk je podélné vlnění s frekvencí 16 Hz až 20 kHz. Toto vlnění vyvolává v lidském uchu sluchový vjem. Vlnění s frekvencí nižší než 16 Hz se nazývá infrazvuk, vlnění s frekvencí vyšší než 20 kHz ultrazvuk.

Zvukům vyvolaným periodickými kmity říkáme tóny, zvuky vyvolané neperiodickými kmity zpravidla označujeme jako šumy nebo hluk.

Výška tónu je dána jeho frekvencí. Čím větší je frekvence, tím je tón vyšší.

Víte, že… Vlastní reprodukovaný hlas se nám zdá nepřirozený. Je to způsobeno faktem, že když mluvíme, tak svůj hlas slyšíme jinak, než ti, kteří jsou kolem nás. Zvuky, které vydáváme, přicházejí k nim vzduchem,  přímo a po odrazu od pevných předmětů (např. stěn). My však svůj hlas  slyšíme hlavně díky vodivosti kostí. Chvění se totiž šíří od hlasivek do vnitřního ucha prostřednictvím souboru kostí, které jsou mezi hlasivkami a sluchovým nervem. Tento systém kostí tvoří jakýsi druh zvukového filtru, který propouští některé frekvence lépe a jiné zase hůře. To znamená, že zabarvení přenášených zvuků je dosti pozměněno.

Motivační příběh: Zjistěte, kdo byl tajemným mužem a jaký vynález si nechal patentovat, podle následujících indicií:

1. americký pedagog a vynálezce, který se narodil 3. března 1847 ve skotském Edinburghu

2. v Londýně studoval medicínu a již tehdy se věnoval pokusům v oblasti akustiky

3. jeho otec byl učitelem dětí s vadami sluhu a jeho matka byla neslyšící

4. 15. 2. 1876 ve svých 29 letech podal patent a ve stejný den o pár hodin později tak učinil i Elisha Gray

3. Pracovní postup (v bodech):

1. Připravíme pomůcky dle seznamu
2. V bodech sepíšeme pracovní postup
3. Realizujeme experiment
4. Vysvětlíme výsledky experimentu
5. Diskutujeme a řešíme zadané úkoly

1. Hokejová houkačka domácí výroby

Pomůcky: balónek, nůžky, plechovka od pití, plastová láhev, lepenka

Postup: Z plechovky od pití vystřihneme dno i víčko a v blízkosti dna vyvrtáme do pláště otvor. Z plastové láhve také odstřihneme dno. Veškeré kraje začistíme, aby nebyly křivé nebo ostré. Přes horní konec plechovky pevně natáhneme polovinu nafukovacího balónku tak, aby tvořil napnutou blánu. Upevníme ho kolem dokola izolepou. Do plechovky vsuneme plastovou láhev hrdlem směrem k balónku tak, aby hrdlo na balónek mírně tlačilo a napínalo jej. Dolní část láhve a plechovky opět zajistíme izolepou.

V horní části plechovky vyrazíme cca 1 cm pod balónkem foukací otvor. Musí to být v místě, kde je již hrdlo láhve zúžené a nedotýká se plechovky. Otvor má průměr cca 0,5 cm.

Fotografie:

Praxe: Tělesa, která vydávají zvuky můžeme rozkmitat různými způsoby (údery, drnkáním, třením, smýkáním, ...). Kmitavý pohyb vykonávají různá tělesa z různých materiálů i skupenství (pružné blány, struny, vodní či vzduchový sloupec,...)

Vysvětlení: Když začneme foukat do prostoru mezi plechovkou a lahví, vznikne v daném místě přetlak. Díky němu se napne membrána z balónku a oddálí se od hrdla láhve. Vzniklou štěrbinou začne vzduch rychle proudit lahví ven. Ve štěrbině mezi membránou a hrdlem vzduch proudí velmi rychle, takže zde prudce poklesne tlak - membrána z balónku se opět přitiskne na hrdlo. Tím vzduch přestane proudit, takže podtlak zanikne, dech vytvoří přetlak a celý proces se znovu opakuje. Díky tomu se membrána rozkmitá natolik rychle, že vydává slyšitelný zvuk. Láhev s ustřiženým dnem funguje jako rezonanční skříňka - kmity se velmi účinně předávají vzduchu. Čím více je blána napnutá, tím silněji do klaksonu musíme foukat a tím se také membrána rychleji rozkmitá - klakson vydává vyšší tón.

Úkoly k pokusu:

1. Ve skupinách vyrobte houkačky na různě dlouhé plechovky a s různě napnutou membránou balónku a různými typy plastových láhví.

2. Uspořádejte své výrobky podle výšky tónu a diskutujte, které parametry houkačky výšku tónu ovlivňují a které ne a proč.

3. Uveďte veškerá pružná prostředí, kterými se postupně šíří zvuk při tvém experimentu. Jaký význam má ve vašem experimentu plastová láhev?

2. Model středního ucha

Pomůcky: dvě krabičky od naukového dortu, potravinová fólie, izolepa, dortová forma, pingpongový míček, tři brčka a voda

Postup: Namísto dna dortové formy napneme potravinovou fólii a připevníme ji z boku izolepou. Jedno brčko nastřihneme na třetiny a izolepou    do něj upevníme pingpongový míček. Připojíme další dvě brčka a celou soustavu přilepíme k potravinové fólii. Do jedné z krabiček umístíme ve svislé poloze dortovou formu, do druhé krabičky nalijeme vodu a do vody položíme pingpongový míček. Zapískáme flétnou nebo zakřičíme do formy.

Fotografie:

Vysvětlení: Zakřičíme-li do formy, napnutá fólie (bubínek) se v důsledku změn tlaku rozkmitá. Kmitání se prostřednictvím brček (kladívko a kovadlinka) přenese na lehký pingpongový míček (třmínek), který rozkmitá vodu (tekutina vnitřního ucha).

Praxe: Zvukové vlny, které projdou zvukovodem, rozechvívají bubínek. Ten se chová jako membrána mikrofonu. Kladívko, stejně jako kovadlinka tvoří jakýsi mechanický pákový převodník, který přenáší kmity bubínku přes třmínek na chvění tekutiny vnitřního ucha. Střední ucho se tedy dá přirovnat k páce, jejímž delším koncem pohybuje bubínek a kratší konec je připevněn k třmínku. Kmity třmínku tedy mají menší výchylku než bubínek, proto však je třmínek schopen vyvinout větší sílu, potřebnou k rozkmitání tekutiny vnitřního ucha.

Úkoly k pokusu:

1. Ve skupinách experimentujte s materiály potřebnými k provedení pokusu. Dortovou formu nahraďte proužkem papíru, fólii rozstřiženým nafukovacím balónkem, pingpongový míček plastovou nebo hliníkovou lžičkou a podobně.

2. Diskutujte změny chování soustavy a jejich důvod.

3. Zkuste navrhnout metodu, jak byste změřili frekvenci kmitání a následně ji experimentálně změřit.

3. Malování zvukem

Pomůcky: plechovka od konzervy, nafukovací balónek, modelína, gumička, trychtýř, krupice nebo hrubá mouka, zdroj zvuku (rádio, flétna)

Postup: Na horní otevřenou část plechovky natáhneme membránu z nafukovacího balónku a připevníme gumičkou. Do boku konzervy vyřízneme otvor a vložíme do něj trychtýř. Okolí utěsníme modelínou. Na membránu z balónku nasypeme tenkou vrstvu hrubé mouky. Celou soupravu dáme otočenou trychtýřem k reproduktoru rádia. Na membráně se utváří více či méně pravidelné obrazce, které se mění se změnou melodie.

Fotografie:

Vysvětlení: Zvuk z reproduktoru rádia je soustřeďován trychtýřem dovnitř plechovky, zvuková vlna se šíří vzduchovým sloupcem v plechovce. Kmitání molekul vzduchu se přenáší na napnutou membránu z balónku a z ní na drobné částečky mouky. Ty v různých místech membrány různě nadskakují do vzduchu a padají zpět. Na povrchu membrány tak vznikají různé obrazce. Tvar obrazce závisí na tloušťce membrány, míře její napjatosti, vydávaném tónu a velikosti zrníček použitého prášku.

Úkoly k pokusu:

1. Ve skupinách experimentujte s různými materiály pružné blány i sypkého materiálu a se zdrojem zvuku. Na základě experimentů vyslovte závěry.

2. Rozhodněte, na čem závisí tvar obrazce a který faktor jej ovlivňuje nejvýznamněji a který nejméně či vůbec.

3. V jednotlivých skupinách proveďte experiment s totožnými a odlišnými vstupními podmínkami a svá pozorování navzájem porovnejte a vyslovte společné závěry.