Демонстрационный эксперимент по изучению звуковых полей методом компьютерного сканирования

В статье приводится перечень демонстрационных опытов для изучения звуковых полей методом компьютерного сканирования. Эти опыты можно демонстрировать школьникам и студентам при изучении теории колебаний и волн. Предлагается последовательность проведения опытов, рассматриваются некоторые особенности методики их проведения.

Ключевые слова:демонстрационный эксперимент, учебный физический эксперимент, изучение звуковых полей, метод компьютерного сканирования.

В системе школьного физического образования большое внимание уделяется изучению волновых процессов, а, следовательно, и изучению волновых полей [1; 3]. Это подтверждает анализ содержания современных школьных учебников. Например, в учебниках предусмотрены натурные демонстрации явлений, связанных с механическими (в частности, звуковыми) и электромагнитных волнами. Поэтому одним из важных разделов учебного физического эксперимента является система опытов со звуковыми и электромагнитными волнами. Такие волновые поля визуально не наблюдаются учащимися. Однако целостный образ явления формируется в сознании учащегося на основе зрительного восприятия. Для этого в учебном физическом эксперименте были разработаны способы визуализации волновых полей с помощью индикатора интенсивности волны в точке и методом сканирования поля [5, с. 48–50].

Демонстрационные установки для опытов со звуковыми и сантиметровыми электромагнитными волнами имеют много общего, что определяется закономерностями, являющимися общими для различных по физической природе волновых явлений. Поэтому принципы построения экспериментальной установки для изучения акустических волновых полей могут быть такими же, как и в случае электромагнитных волновых полей.

Ранее в опытах с акустическими полями сканирование осуществлялось с помощью миниатюрного приемника звука (микрофона), с которого сигнал сначала поступал на усилитель, а затем на осциллограф, графопостроитель, лампу накаливания, светодиод или газоразрядный индикатор. Достоинством метода являлась его универсальность, а недостатком сравнительно большая продолжительность экспериментов.

Для формирования обобщенного понятия волнового поля, на наш взгляд, необходимо изучить следующую группу основных явлений волновой физики: 1) излучение волн, 2) распространение волн, 3) явление Доплера, 4) интерференция волн, 5) перенос энергии волнами, 6) радиационное давление волн, 7) поглощение (затухание) волн, 8) дисперсия волн, 9) дифракция волн, 10) отражение и преломление (прохождение) волн. В основе методики должно лежать экспериментальное доказательство существования поля, а учебный эксперимент должен обеспечивать это доказательство для полей различной природы [6].

Система предлагаемых нами опытов по изучению звуковых полей включает следующие демонстрационные эксперименты. Излучение, распространение и поглощение звуковых волн: 1) демонстрация излучения звука, 2) распространение звука, 3) распространение звука в жидкостях и твердых телах, 4) поглощение звука, 5) волновое поле. Явление Доплера: демонстрация акустического эффекта Доплера. Интерференция звуковых волн: 1) экспериментальное доказательство существования интерференции звука, 2) исследование интерференционного распределения интенсивности звукового поля, 3) применение фотографий звуковых полей при изучении интерференции от двух источников звука, 4) когерентность звуковых волн, 5) сравнение фаз колебаний в интерференционных максимумах интенсивности звукового поля, 6) интерференция волн от реального источника звука и его мнимого изображения в плоском зеркале, 7) распределение фазы колебаний в стоячей звуковой волне, 8) интерференция звука на слое воздуха. Дифракция звуковых волн: 1) экспериментальное доказательство существования дифракции звука, 2) дифракция звука на круглом отверстии, 3) дифракция звука на щели, 4) дифракция звука на двух щелях, 5) дифракция звука на полуплоскости. Отражение и преломление (прохождение) звуковых волн: 1) экспериментальное доказательство существования явления отражения звуковых волн, 2) экспериментальное доказательство существования явления преломления звуковых волн. Давление звуковой волны: экспериментальное доказательство существования радиационного давления звуковой волны. Дисперсия звуковых волн: экспериментальное доказательство существования дисперсии звуковых волн.

Очевидно, что в полном объеме эта система опытов может быть продемонстрирована только при углубленном изучении физики в школе. Наша задача заключается в отборе тех экспериментов, которые целесообразно ставить при использовании компьютерной установки для сканирования акустических и электромагнитных полей.

Изучение акустических явлений (распространения в упругой среде механических колебаний), способствует расширению понятия волны. Важен переход от волн, воспринимаемых визуально, к невидимым волнам. Это готовит учащихся к восприятию физической сущности электромагнитных волн.

Звуковые явления в школе изучают в такой последовательности. Сначала учащиеся знакомятся с источниками и приемниками звука. Рассматривают примеры источников звука (камертон, струна) и излучателей, преобразующих электрические колебания в звуковые. Затем учитель демонстрирует приемники звука — микрофоны. Объясняет механизм распространения звуковых волн. Демонстрирует сгущения и разрежения в упругой среде при распространении в ней звуковой волны, продольный характер звуковых волн, необходимость среды с упругими свойствами для их распространения. На опыте сравниваются звукопроводность воды, металла и пористых веществ. После этого учитель рассказывает учащимся о восприятии звуковых волн человеком. Рассматривает диапазоны звуковых волн: от 16 до 20000 Гц — звуки, воспринимаемые человеческим ухом, ниже 16 Гц — инфразвуки, выше 20000 Гц — ультразвуки, свыше 10⁹ Гц — гиперзвуки. Приводятся примеры характеристик звука (частота, интенсивность, спектральный состав) и восприятие различий в этих характеристиках человеком. Понятие интенсивности часто используют в дальнейшем учебном материале, поэтому его конкретизируют уже при изучении звуковых волн. С помощью микрофона, подключенного к осциллографу, учитель может показать различие в осциллограммах простого тона камертона (гармоническая или синусоидальная волна), музыкального звука (представляет собой совокупность нескольких частот — основной тон и обертоны) и шума (непрерывный набор частот). При рассмотрении акустического резонанса подчеркивается, что резонанс акустических волн является доказательством волновой природы звука. Также учащихся знакомят с упругими волнами различных диапазонов и их применением.

Учитывая требования государственного образовательного стандарта, систему опытов по изучению волновых явлений и традиционное содержание школьного курса физики, мы пришли к выводу, что минимальная серия учебных экспериментов, обеспечивающих изучение звуковых и электромагнитных волновых полей, включает пять позиций: 1) волновое поле уединенного источника; 2) интерференционное поле двух когерентных источников; 3) интерференционное поле стоячей волны; 4) дифракционное поле при прохождении волны через круглое отверстие; 5) дифракционное поле волны за непрозрачным диском.

Эта серия учебных экспериментов действительно может быть использована в школьных условиях, если учитель, полностью владея соответствующей теорией, умеет на доступном уровне объяснять учащимся все наблюдаемые в опытах явления. Подготовка учителя, удовлетворяющая указанному критерию, должна осуществляться в педагогическом вузе. Наиболее эффективной формой при этом является учебно-исследовательская деятельность студентов.

Демонстрационная установка, предлагаемая нами для сканирования волновых полей, включает возбудители и источники волнового поля, приемники волны, сканирующий элемент, блок сопряжения и компьютер. Составляющие установки подробно рассмотрены нами в статье [2]. Действия учителя при демонстрациях заключаются в следующем. Учитель создает исследуемое волновое поле и размещает в нем нужным образом сканирующий элемент (в случае звукового поля — микрофон на стойке с кареткой и направляющие). Далее он запускает программу и сканирует поле вдоль выбранной прямой, для чего равномерно проводит кареткой по направляющим. На экране монитора возникает график зависимости амплитуды волны от координаты сканирующего элемента (распределение амплитуды вдоль отрезка прямой). Вместе с учащимися учитель анализирует полученный график. Затем несколько изменяются условия и эксперимент повторяется вновь. Учащиеся сравнивают полученные результаты, высказывают догадки, строят предположения, после чего планируется и проводится новый эксперимент. Поскольку запись распределения при демонстрации занимает не более 5–10 с, то исследование волнового поля на уроке проходит динамично, при этом активно работают все учащиеся.

Начинать демонстрационные опыты мы рекомендуем с решения конкретной экспериментальной задачи, позволяющей учащимся усвоить принцип действия сканера и знакомящей их с явлениями, сопутствующими изучаемым. Такой задачей может явиться исследование интерференционного поля от двух динамиков [4]. Учитель пошагово сканирует интерференционное поле вдоль прямой, параллельной отрезку, соединяющему источники, и на экране монитора получает график интерференционного распределения результирующей амплитуды звуковой волны. Объяснив явление, учитель предлагает доказать, что интерференционная картина действительно получается в результате наложения двух волн. Для этого сначала нужно исследовать волновое поле одиночного источника. При сканировании этого поля учащиеся вместе с учителем обнаруживают на кривой распределения амплитуды чередующиеся максимумы и минимумы. Высказывают предположение, что они возникают в результате интерференции. Вторая волна, необходимая для этого, образуется за счет отражения от предметов, находящихся в волновом поле: частей экспериментальной установки, стола, тела экспериментатора и т. д. Проверяют это предположение, специально вводя в поле подходящий отражатель (например, учащийся может некоторое время подержать неподвижно руку в волновом поле). Получив подтверждение высказанного предположения, делают вывод, что, поскольку невозможно устранить ни элементы экспериментальной установки, ни экспериментатора, при анализе результатов опытов необходимо учитывать интерференционные явления, возникающие за счет отражения волн в пределах экспериментальной установки. Затем учитель говорит, что в демонстрационных опытах нет необходимости пошагового сканирования, поскольку необходимо получение лишь качественной картины распределения. Поэтому возможно непрерывное сканирование без датчика координаты, если датчик амплитуды (микрофон) перемещать вдоль траектории сканирования равномерно.

Далее демонстрации проводят в соответствии с решаемой дидактической проблемой. Например, при изучении волнового поля одиночного источника выясняют, что оно, вообще говоря, является неоднородным и неизотропным. Кроме того, два внешне одинаковых источника (динамика) одного типа дают заметно различающиеся волновые поля. При изучении интерференции исследуют зависимость интерференционного распределения амплитуды вдоль отрезка прямой от его расположения в области сканирования, от расстояния между источниками, от фазовых и амплитудных соотношений между испускаемыми источниками волнами и т. д. Изучая интерференцию волны от реального источника и его мнимого изображения в плоском зеркале (акустический аналог опыта Ллойда), экспериментально подтверждают изменение фазы волны на противоположную при отражении от «более плотной» среды, осуществляют последовательный переход к изучению стоячей волны. Подробно исследуют стоячую волну, обращая особое внимание учащихся на расхождения результатов эксперимента с выводами элементарной теории.

В средней общеобразовательной и высшей педагогической школе при изучении дифракции волн обычно рассматривают распределение интенсивности (амплитуды) волны лишь в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. При этом у учащихся оказывается не в полном объеме сформированным понятие пространственного распределения интенсивности (или амплитуды) дифрагированной волны. Решение проблемы возможно методом компьютерного сканирования дифракционного поля поперек и вдоль направления распространения волны. Следует отметить, что в опытах по дифракции звука практически всегда образуются волны, искажающие простую картину распределения. Эти волны являются результатом интерференции исследуемой звуковой волны и волн, отраженных от окружающих экспериментальную установку предметов. Однако, учитывая то, что максимумы таких волны находятся на расстоянии примерно равном половине длины волны, возможно отличить на графике распределения эти интерференционные максимумы от максимумов дифракционной картины. Это имеет важное дидактическое значение, так как учащиеся на конкретном примере видят, что в эксперименте, как правило, невозможно создать условия, не влияющие на ожидаемый согласно теории результат.

Демонстрируя опыты по дифракции звука на отверстии, следует учитывать и элемент неожиданности. Учащиеся, конечно же, будут поражены фактами, которые заключаются в следующем. Во-первых, при приближении микрофона к отверстию амплитуда звуковой волны может не увеличиваться, а уменьшаться. Во-вторых, вместо ожидаемого роста амплитуды в исследуемой точке пространства при увеличении диаметра отверстия может наблюдаться ее уменьшение.

При демонстрации дифракции на круглом диске следует иметь в виду, что на результаты опытов оказывает существенное влияние звуковая волна, отраженная от поверхности стола, на котором находится экспериментальная установка. Она интерферирует с исследуемой волной, изменяя вид получаемого распределения. Для устранения этого нежелательного явления на поверхности стола между динамиком и диском следует расположить плоский металлический экран под таким углом к поверхности стола, при котором отраженная им волна не попадает на сканер и, следовательно, не интерферирует в области сканирования с дифрагированной волной.

Подчеркнем, что демонстрационные опыты по сканированию волновых полей на уроках физики отличаются динамичностью, простотой исполнения, вариативностью, кратковременностью. Наиболее важное условие их успешности — полное понимание учителем демонстрируемых физических явлений и умение их объяснять на доступном учащимся уровне.

Литература:

1.   Данилов О. Е. Дидактическая модель формирования понятия поля физической величины с помощью компьютерной визуализации на основе таксономии Герлаха-Салливана / О. Е. Данилов // Концепт. — 2013. — № 3. — URL: http://ekoncept.ru/2013/13053.htm.

2.   Данилов О. Е. Компьютерный сканер для учебных исследований волновых полей / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 8. — С. 93–99.

3.   Данилов О. Е. Концепция метода компьютерной визуализации полей физических величин / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 4. — С. 88–97.

4.   Данилов О. Е. Методика изучения интерференции волн от двух точечных источников с помощью компьютерного моделирования / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 2. — С. 351–358.

5.   Данилов О. Е. Теория и методика использования метода сканирования в учебном физическом эксперименте: Дис. … канд. пед. наук: 13.00.02 / О. Е. Данилов. — Глазов, 2005. — 207 с.

6.   Майер В. В. Исследование волновых полей методом компьютерного сканирования / В. В. Майер, О. Е. Данилов // Учебная физика. — 2005. — № 1. — С. 153–186.