Některé možnosti výuky akustiky Jiří TesařPetr Bartoš katedra fyziky PF JU Srní 28. –

Rámcové vzdělávací programy (RVP)  Velké očekávání mezi laickou veřejností,  nemění zásadním způsobem obsah výuky,  změna v oblasti metod výuky a přístupu k žákům,  podobné očekávání v polovině 90. let minulého století: naplněno: výuka jazyků, výpočetní techniky, tolerance k žákům, alternativní učebnice,….

RVP a výuka fyziky na ZŠ a gymnáziích Vzdělávací oblast „Člověk a příroda“ Základní škola: fyzika, zeměpis, přírodopis, chemie.  Gymnázium: fyzika, zeměpis, přírodopis, chemie, geologie.  Snaha vytvořit integrované pojetí jedním z možných témat je výuka akustiky (fyzikální podstata šíření – fyziologická podstata vnímání zvuku)

RVP a výuka akustiky na gymnáziu  Tématický celek „mechanické kmitání a vlnění“,  akustika je pojata jako aplikace předchozí teoretické části,  v očekávaných výstupech však akustika není,  přehled učiva uvádí: „chvění pružných těles; zvuk, jeho hlasitost a intenzita“.

RVP a výuka akustiky na základní škole RVP uvádí následující očekávané výstupy: „žák:  rozpozná ve svém okolí zdroje zvuku a kvalitativně analyzuje příhodnost daného prostředí pro šíření zvuku,  posoudí možnosti zmenšování vlivu nadměrného hluku na životní prostředí.“

RVP a výuka akustiky na základní škole  Učivo je charakterizováno jako „vlastnosti zvuku“,  obsahuje pojmy: rychlost šíření zvuku, odraz zvuku na překážce.

Aplikace rychlosti šíření a odrazu zvuku  Na ZŠ a nižším stupni gymnázia: ozvěna a dozvuk,  na vyšším stupni gymnázia (fyzikální seminář): Dopplerův jev.

Ozvěna a dozvuk  Rozdíl při vnímání dvou zvuků a sice původního a jeho odrazu od nějaké odrazné stěny (=překážky).  jednoduchý zvuk (např. houkačka) rozlišíme dva stejné zvuky, jejichž časové zpoždění je minimálně 0,1 s.   t > 0,1 s ….. ozvěna   t < 0,1 s ….. dozvuk (oba zvuky vnímáme spojeně ale oproti původnímu zvuku protaženě).

Ozvěna a dozvuk na ZŠ Zdroj zvuku i detekující člověk jsou na stejném místě: Pro  t = 0,1 s; c = 340 m.s -1 mezní vzdálenost d = 17 m

Ozvěna a dozvuk na ZŠ Zdroj zvuku i detekující člověk jsou na různém místě:

Ozvěna a dozvuk na ZŠ  V učebně nelze demonstrovat,  výukové demonstrační programy umožňují změnu: vzdálenosti mezi zdrojem a detektorem od odrazné stěny, libovolnou polohu zdroje zvuku vzhledem k odrazné stěně  vytvářejí u žáků jasnou představu, jaký rozdíl je mezi ozvěnou a dozvukem.

Dopplerův jev  při pohybu zdroje zvuku nebo pohybu detektoru (člověka) je vnímán zvuk o jiné frekvenci než má zvuk vydávaný zdrojem.  pohybu detektoru - vnímání většího resp. nižšího počtu vlnoploch vlivem vzájemné rychlosti signálu a detektoru.  pohybu zdroje zvuku - změna vlnové délky vnímaného zvuku v důsledku „zhušťování a zřeďování“ vlnoploch zvukového vlnění - viz obr.

Dopplerův jev Dopplerův jev – pohyb zdroje zvuku

Dopplerův jev Pro vnímanou frekvenci zvuku platí vztah: f´=frekvence zvuku vnímaná detektorem f 0 =frekvence vydávaná zdrojem c = rychlost šíření zvuku ve vzduchu (340 m.s-1) v = rychlost pohybu detektoru w = rychlost pohybu zdroje zvuku

Dopplerův jev  vnímaná (detekovaná) frekvence zvuku záleží na tom, zda se pohybuje zdroj zvuku nebo detektor,  velikost rychlosti zdroje zvuku má na frekvenci vnímaného zvuku větší vliv.  Výrazný rozdíl frekvence je pozorovatelný při míjení zdroje zvuku a detektoru, kdy vnímaná frekvence se mění od hodnoty nižší než je frekvence zdroje zvuku na hodnotu vyšší než je frekvence zdroje zvuku.

Dopplerův jev  Ani tento jev nelze demonstrovat,  výukový demonstrační program umožňuje: změnu směru i rychlosti pohybu zdroje zvuku i detektoru (nebo v klidu), frekvence zvuku vydávaného zdrojem,  v průběhu simulace můžeme zřetelně sledovat změnu a hlasitosti zvuku v závislosti na rychlosti pohybu a vzdálenosti od pozorovatele.

Demonstrační programy  vytvořeny v jazyku DELPHI - velikost je cca 0,5 MB,  požadavky na hardware a software jsou minimální. (OS MS Windows a nainstalovaná zvuková karta.  programy na ozvěnu umožňují: - výběr vhodného zvuku (soubory wav, mid, mp3) - nastavení výchozí hlasitosti simulovaného zvuku  v ini souboru je možno měnit koeficient, který koriguje průběh celé simulace vzhledem k rychlosti procesoru PC a měnit polohu detektoru.

Didaktický přínos  působí kladně na motivaci žáků k řešení dané problematiky,  vyhledání případně vytvoření vlastního zvukového souboru a jeho následným použitím se žáci ocitají v roli „experimentátora – objevitele“,  naplněn požadavek RVP „...rozvíjet schopnost samostatně se rozhodovat, tvořivě a kriticky myslet,....“.

Další vývoj  Připravujeme rovněž v MATLABu (dokonalejší simulace a grafické znázornění uvedených jevů)  vhodné i pro výuku základního kurzu fyziky v přípravě budoucích učitelů,  vykreslení grafické závislosti.

Kontakt PaedDr. Jiří TESAŘ, Ph.D. Katedra fyziky Pedagogická fakulta JU Jeronýmova 10 České Budějovice CZ –  jcu.cz Mgr. Petr Bartoš Katedra fyziky Pedagogická fakulta JU Jeronýmova 10 České Budějovice CZ – 