Научно — исследовательская работа по физике на тему:
«Поющие бокалы»
Содержание:
1. Актуальность и цели исследовательской работы.
2. Получение звуковых колебаний с помощью различных колебательных систем.
3. Звук «поющего» бокала.
4. Результаты исследования.
5. Практическое использование «поющих бокалов». Гармоника Франклина.
1. Цель исследования:
Изучить возможности получения звуковых колебаний с помощью необычных колебательных систем.
Задачи:
Выяснить, причину возникновения звуковых волны.
Установить соответствие между типом бокала и свойствами получаемого звука.
Найти возможное практическое применение звуковым колебаниям в «поющих» бокалах.
Объект исследования: звуковые волны.
Предмет исследования: звук «поющего» бокала.
Методы исследования: изучение теоретического материала, эксперимент
Гипотеза:
Звук «поющего» бокала зависит от величины бокала, толщины стенок, количества воды в бокале, этот звук имеет общую природу со звуком скрипки.
Краткая аннотация
В данной работе проведены эксперименты по извлечению звука из бокалов разной формы с различным наполнением. Проделаны опыты для выявления причин звучания бокалов.
Целью данной работы является изучение звука, образованного при извлечении с поверхности стеклянных бокалов. В ходе работы использованы методы: 1. Теоретический: комплекс мыслительных операций (анализ, сравнение, индукция). 2. Практический: комплекс практических действий (ведение наблюдений, измерения, описание происходящих процессов в словесной и образной формах)
В ходе работы выявлены:
1. Различия между простым звуком и сложным
2. Возникновение волн при излучении звука
3. Связь между высотой тона и частотой колебаний;
4. Зависимость частоты колебаний от параметров колебательной системы;
5. возникновение стоячих волн в при излучении звука.
Научная новизна: извлекая различные звуки с поверхности стеклянных сосудов, постигаем, исследуем сложность и тайну красоты мелодии.
Практическая значимость:
Экологически безопасное и экономичное извлечение звуковых колебаний с поверхности стеклянных сосудов (бокалов).
Составление музыкальных мелодий, что необычно, интересно и увлекательно.
2. Получение звуковых колебаний с помощью различных колебательных систем.
Мир звуков так многообразен,
Богат, красив, разнообразен,
Но всех нас мучает вопрос
Откуда звуки возникают,
Что слух наш всюду услаждают?
Пора задуматься всерьез.
Для того, чтобы исполнить музыкальное произведение не всегда нужны музыкальные инструменты в обычном смысле этого слова. Например можно сыграть на пиле, ложках и даже стаканах, которые издают невероятные звуки!
Звук — упругие волны, продольно распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания. Причина звука? - вибрация (колебания) тел, хотя эти колебания зачастую незаметны для нашего глаза. Источники звука — физические тела, которые колеблются, т. е. дрожат или вибрируют с частотой от 16 до 20000 раз в секунду. Вибрирующее тело может быть твердым, например, струна или земная кора, газообразным, например, струя воздуха в духовых музыкальных инструментах или в свистке или жидким, например, волны на воде.
Основные характеристики звука:
Громкость (амплитуда волны)
Скорость звука.
Высота звука
Тембр
Интенсивность
Частота основного тона.
Спектр звука
3. Звук поющего бокала.
Я услышал звуки, которые издают обыкновенные бокалы при лёгком поглаживании. Мне было интересно узнать «Как поют бокалы?». Данный вопрос и стал проблемой нашей работы.
Объяснение физики поющего бокала достаточно сложно. «Запеть» можно заставить не всякий бокал. Наши исследования доказали, что лучше поют бокалы из простого тонкого стекла. Извлекают звук из бокала, водя пальцем по ободку, но руки должны быть чистыми, без малейших следов жира. Основную роль в возникновении звука играет сила трения между пальцем и краем бокала. В отличие от силы сухого трения, сила трения со смазкой, роль которой играет вода, зависит от скорости скольжения пальца по краю бокала.
Бокал начинает звучать не сразу, он должен «обтереться» и звук достигает своего максимального звучания тоже не сразу. Тонкие бокалы дают довольно чистый звук, однако стоит руке сделать неверное движение, и звук становится неприятным – сложным. При этом вода в бокале совершает движения, образуя волну. Достаточно одной бусинки на ниточке, чтобы увидеть колебания: в одних положениях шарики, соприкасающиеся с бокалом, не отклоняются, в других отскакивают от бокала. Вода в нём до некоторой степени передаёт рисунок красивых волн.
Мы провели опыты для изучения рисунка и линий, образованных на поверхности воды: в месте, где остановился палец, образуются узловые линии. Причем, когда начинает звучать бокал, то извлекается не только основной тон, но и обертоны, различающиеся частотой как квадраты чисел: 22, 32, 42, 52. Число узлов определялось числами: 4, 6, 8, 10.
Кроме извлечения звуков мы провели опыты для того, чтобы узнать, что влияет на звучание бокалов. Для эксперимента нам понадобились: бокалы, ложка, вода, соль, приемник звука — ухо.
4. Результаты исследования.
Опыт 1.
Получение звука постукиванием ложечкой по бокалу, наполненному чистой водой. Восприятие на слух. Данный звук возьмём за эталон.
Опыт 2.
Получение звука постукиванием ложечкой по бокалу, наполненному водой, изменив состав жидкости (в чистую воду добавили столовую ложку соли). Восприятие на слух.
Вывод: Высота тона звука понизилась по сравнению со звуком от эталона, что зарегистрировано ухом
Опыт 3.
Получение звука постукиванием ложечкой по стенкам, заменив хрустальный бокал бокалом из обычного стекла, наполненный чистой водой. Зафиксировали звук.
Опыт 4.
Добавили в воду ложку соли. При её размешивании постукивали ложкой по бокалу, зафиксировали звук. Высота тона звука понизилась
Опыт 5.
Вновь заменили бокал: взяли тонкостенный, химический огнеупорный. Наполнили его чистой водой и получили звук постукиванием ложечкой по стенкам. Зафиксировали звук.
Опыт 6.
Добавили в воду ложку соли. При ее размешивании постукивали ложкой по бокалу, зафиксировали звук. Высота тона звука понизилась
Выводы:
1) Тон звука при добавлении соли в воду во всех случаях понижается
2) Понижение тона различно и зависит от материала, из которого изготовлен бокал
3) Более низкие звуки получены от бокала из обычного стекла, а более высокие – от хрустального
4) Эффект понижения тона звука практически исчезал после полного растворения соли, так как содержащийся в ней воздух высвобождается.
5) Высота звука зависит от: величины бокала, толщины стенок и количества воды в нём (чем выше уровень воды, тем ниже тон).
5. Практическое использование «поющих бокалов».
Первые упоминания об игре на бокалах датируются XII веком в Китае, XIV – в Персии и XV веком в Европе, но только в 1740 году появились профессиональные выступления с использованием поющих бокалов.
Как и четыреста лет назад, сегодня оркестр поющих бокалов – хроматический инструмент с диапазоном звучания 2-3 октавы. Он состоит из 24-36 бокалов, подобранных или специально изготовленных. Бокалы могут настраиваться стеклодувом, механической обработкой или путем добавления воды. Сегодня можно встретить инструменты и в 60 бокалов, для игры в четыре руки. Партию для поющих бокалов можно найти и в симфониях Моцарта, и в концертах Pink Floyd, и в музыке Бориса Гребенщикова. Существуют целые концерты, написанные для поющих бокалов и симфонического оркестра (Фред Шнаубелт).
Литература
1. Большой справочник школьника. 5 – 11 классы. - М.: Дрофа, 2002.
2. Подборка журналов «Физика в школе» 2004, 2005, 2006, 2007 годов
3. Подборка газет «Физика» 2006, 2007 годы
4. Асламазов А. Г., Варламов А. А. Удивительная физика: – М.: Добросвет, МЦНМО, 2005.
5. http://www.moles.ee/06/Jul/03/24-1.php Зверева А., Музыкальный бисер. – Молодёжь Эстонии, 03.07.2006
Приложение 1.
Стеклянная гармоника Франклина
Рассказ о необычном инструменте необычного человека – Бенджамина Франклина, политика, дипломата и физика – может быть особенно поучителен в наши дни.
Многие слышали, как звучит бокал, если провести по его краю чистым влажным пальцем. Однако немногим удалось объединить «поющие» бокалы в целый оркестр, что, безусловно, способно удивить неискушенного слушателя: люди буквально «заворожены прелестью его звучания», как написал Бенжамин Франклин, впервые услышав поющие бокалы. Франклин создал в 1761 году свой собственный стеклянный инструмент, «стеклянную гармонику» (кристаллофон).
Гармоника Франклина, или гласкорд, – старинный музыкальный инструмент, представлял собой вал, помещённый в продолговатый футляр, до определённого уровня наполненный водой. На этом валу было укреплено до сорока полушарий, постепенно увеличивающихся в размере и вдвинутых друг в друга. Вал с прикреплёнными к нему полушариями приводился во вращательное движение с помощью ножной педали. Перед началом игры стеклянные полушария смачивали и, прикасаясь пальцами к тому или иному полушарию, извлекали желаемые звуки. Звуковой объём этого инструмента имел до трёх-четырёх октав, в зависимости от числа стеклянных чаш (от 37 до 46).
В XVIII в. этот инструмент стал особенно популярен в Англии, где его появлению предшествовало увлечение игрой на стеклянных бокалах (в 1746 г. К.-В.Глюк дал концерт на 26 бокалах). Считается, что Б. Франклин усовершенствовал (создал) этот инструмент в 1761–1763 гг. и подарил г-же Дэвис, которая показывала его в 1765 г. сначала в Англии, а потом во Франции и Германии. Позже следы гармоники, сделанной Франклином, затерялись, но в конце XVIII – начале XIX вв. инструмент был достаточно популярен: и В.-А. Моцарт, и Л. Бетховен, и М. И. Глинка вводили его в партитуру своих произведений. В середине XIX в. гармоника вышла из моды, однако она не пропала бесследно. Более того, экземпляры этого инструмента можно увидеть в Петербурге, в Музее музыки в Шереметевском дворце («Фонтанный дом»), и услышать – в июле 2006 г. в Пярну и Риге прошли концерты Томаса Блоха (Франция) на стеклянной гармонике.
Приложение 2.
Резонансная чаша из Китая.
Бронзовый таз - удивительный предмет, пришедший к нам из Древнего Китая. Это современная копия "Рыбного таза-фонтана", редкости из времен правления династии Мин (1368-1644). Бронзовая чаша таза украшена барельефами рыб, испускающих фонтаны воды.
Если наполнить таз водой и мокрыми руками медленно и ритмично тереть ручки, то он начинает гудеть. После небольшой практики можно научить этот перевернутый колокол гудеть в определенном тоне. Точно так же звучит стеклянный бокал, если водить мокрым пальцем по ободу.
Когда таз резонирует, поверхность воды покрывается рябью, которая концентрируется в четырех точках по окружности чаши. Затем вода начинает как бы кипеть, разбрызгивая сотни маленьких капель над поверхностью, высота некоторых фонтанчиков превышает 20 дюймов (50,8 см). Четыре точки на поверхности, где вибрация и фонтаны самые сильные, находятся точно над головами рыб, изображенных на дне таза, создавая впечатление, что фонтаны над поверхностью воды рождают рыбы.
Джозеф Нидхам первым описал эти тазы в 1962 году в книге "Наука и цивилизация Китая". Он предположил, что эффект бьющих струй появляется благодаря рисунку на дне чаши, где струи изо ртов рыб, рельефно изображенных на дне, продолжаются и по бокам чаши. Мы теперь знаем, что он ошибался так же, как, скорее всего, ошибались в объяснении и древние искусные мастера китайской бронзы, изготовившие первые тазы. Они делали тазы так, что каждый имел четыре "особые точки", даже если на дне не было рисунка. Рыбы служат приманкой для ложных гипотез о том, что какое-либо изображение может в некоторых случаях обладать свойствами реальности.
Хотя большинство тазов бьют струями в четырех точках, можно наблюдать фонтаны в шести или восьми местах, если вы трете ручки сильнее и под разными углами.
Приложение 3.
Как играть на бокалах.
Поставьте на стол несколько бокалов из тонного стекла и налейте в каждый из них воды. Вымойте руки, чтобы на них не было следов жира, чуть смочите палец и начинайте водить им, не сильно нажимая, по краям бокала. Бокал начнет издавать тонкий мелодичный звук.
Нажимая на край то сильнее, то слабее, вы сможете извлекать из бокала звуки разной высоты. Чем больше в вокале будет воды, тем ниже будет его «голос». Если потренироваться, можно из бокалов извлечь загадочную, оригинальную мелодию или наиграть одну из своих любимых музыкальных композиций.
У вас еще есть время освоить этот оригинальный музыкальный инструмент, чтобы сделать оригинальное поздравление на 8 марта. А если вы объясните почему возможно использование бокалов для извлечения звуков, то есть шанс получить еще и хорошую оценку по физике.
