«Колокола, колокола...» (урок-вечер по теме «Звуковые волны») - ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ - Поурочные разработки по физике к учебнику С. В. Громова - Физика - Поурочные планы к учебникам Г. Я. Мякишева, С. В. Громова и В. Л. Касьянова 10 класс - разработки уроков - авторские уроки - план-конспект урока

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

Урок 11. «Колокола, колокола...» (урок-вечер по теме «Звуковые волны»)

Цель: использовать физическую информацию для пробуждения у учащихся патриотических и гражданских чувств (сделать это можно через обращение к истории, архитектуре и атрибутам древнерусских храмов).

Ход урока

I. Вступительное слово учителя

Колокол — это один из символов Руси, ее силы, веры в будущее и памяти о прошлом.

Чистый месяц в росе плыл.

Белый, стольный град Владимир

Звон неведомый, родимый

Над землею рассыпал.

Перворожден и силен,

Плыл он, ритмом покоряя,

Плыл, как будто укоряя,

Из Владимирских времен.

И внимал, я — внук славян —

Чуду с гордостью и грустью,

Благосвет летел над Русью,

Новый день благословлял.

А. Пономарев

II. Некоторые исторические сведения

1. O колоколах в России впервые упоминается в летописях 988 г.

2. Колокола помещали в звонницах храма, но очень часто — на специальных сооружениях рядом с церковью — колокольнях (с XIX в.).

3. В Москве до революции 1917 г. насчитывалось примерно 4000 храмов. На их звонницах и колокольнях было по 5-10 колоколов, иногда и больше; для разных случаев — праздник, будни, беда - использовались разные колокола.

4. На колокольне Ивана Великого в Кремле, построенной в 1505-1508 гг. и имеющей высоту 81 м, было 52 колокола (в последствии - 37).

5. Колоколам часто давали имена: Медведь, Реут, Сысой и др.

6. Колокола были большие и малые. Масса некоторых больших колоколов такова: Лебедя (сделанного в 1550 г.) - 2200 пудов (36,08 м); Большого Успенского (1654 г.) — 8000 пудов (131,2 м).

7. Огромнейший и единственный по своей величине во всем мире считается московский Царь-колокол (1735 г.), его масса свыше 12000 пудов (196,8 м.)

8. Звон колокола был голосом Родины. Он воспевал ее силу и красоту, он напоминал о долге перед ней. А если колокол умолкал — это значило, что родину постигло несчастье. Колокола покоренного города были желанными трофеями для победителя. Их срывали с колоколен п звонниц, их разрушали, их переплавляли на пушки и монеты. Большей кары, как лишение колокола, не было для опального города.

9. Колокольный звон был предметом многократного воспроизведения и воспевания в различных областях искусства — литературе, поэзии, живописи, музыке. Отечественные композиторы часто включали колокольный звон в свои произведения: вспомним М. Мусоргского и его оперу «Хованщина», «Борис Годунов», а также оперу М. Глинки «Жизнь за царя», А. Бородина - с «Князем Игорем», Н. А. Римского-Корсакова - «Сказка о царе Салтане» и «Псковитянка» (для постановки последней Большой театр в начале XX в. приобрел колокол массой 170 пудов)

III. Музыкальная вставка

Прослушивание колокольных звонов Троице-Сергиевой лавры, находящейся в г. Сергиев Посад Московской области (Сергиев монастырь был основан в XIV в. лаврой называется с 1744 г., когда стал резиденцией московских митрополитов): грамзапись, пластинка «Колокольные звоны» (Мелодия, 1980 г.)

IV. Что такое колокол?

Колокол — это «самозвучащий сигнальный музыкальный инструмент». Такое научное определение дает Энциклопедический словарь. «Опрокинутая чаша с малиновым звоном» — определение второе, поэтическое; один из древнейших символов православной Руси, а ныне еще и примета ее возрождения - определение третье. Металлическая чаша, перевернутая вверх дном, внутри которой по центру дна подвешен металлический «язык» (см. рис. 7); при их взаимном перемещении (например, движении «языка» при помощи веревки) происходит удар о стенку чаши, и та издает звук Это - четвертое определение — описание.

V. Звуки колокола

Попробуем разобраться, каким образом создается колокольный звон, как мелодия звона связана с размерами, формой колокола, а также остановимся на том, из какого материала изготавливают колокола, т. е. рассмотрим два вопроса:

1) акустика колоколов;

2) из чего льют колокола.

У каждого колокола есть основной тон, соответствующий высоте его звучания, и богатый, характерный только для него набор добавочных тонов — более низких и более высоких. Именно они и создают разнообразие тембров, по которым различают голоса колоколов с одинаковой высотой основного тона.

Рассмотрим физический механизм звучания. При ударе языком колокола о стенку бронзовой чаши возникает ее упругое дрожание, которое представляет собой сумму многих собственных колебаний звуковой частоты. Эти колебания можно сделать видимыми, если перевернуть чашу, залить ее водой, насыпать на поверхность воды равный слой легкого мелкого порошка, например ликоподия, и возбудить колебания. Колеблющийся участок борта звучащей чаши отгонит от себя легкие частицы. В результате на поверхности воды получатся своеобразные «звезды». Они вырисовываются при любом уровне воды. Это означает, что стена колеблющегося колокола разделена «меридианами покоя», число которых может быть 4 или 6, или 8, или 10. В те моменты, когда в данном из секторов стенка «всучивается», в соседних - она в покое.

Но есть и другие виды колебаний колокола. Чтобы представить их, перейдем от объема к плоскости: мысленно превратим колокол в круглую плоскую металлическую пластину. Закрепим ее в центре, насыпем тонкий ровный слой песка и приведем в колебательное движение, проводя по краю пластины смычком. На поверхности пластины образуются песчаные узоры — фигуры Хладни (название дано по имени изучавшего их немецкого ученого Э. Ф. Хладни).

Причина их образования — собственные колебания пластины: колеблющиеся секторы пластины, вспучиваясь, стряхивают с себя песок, и он собирается вдоль линий покоя. Хладниевые фигуры, таким образом, свидетельствуют о том, что пластина разделена, не только меридианами, но и параллелями покоя. Каждому сочетанию меридианов и параллелей покоя соответствует своя частота колебаний: более высоким частотам соответствует более дробная сетка линий покоя.

Аналогичные эксперименты были проделаны и с колоколом.

Звучащие участки стенок колокола и линий покоя можно обнаружить экспериментально и с помощью резонаторов Гельмгольца.

Можно даже составить «карту» звучания колокола.

Звучащие участки можно найти даже на ощупь, если размеры колокола велики и велика амплитуда колебаний.

О колебаниях стенок колокола дают представление следующие иллюстрации (см. рис. 9).

На протяжении многих веков литейщики колоколов искали решение вопросов, какими должны быть пропорции между размерами и массой, толщиной стенок в разных сечениях, какой быть форме колокола, чтобы получить гармоническое звучание, т. е. такое, при котором добавочные тоны (обертоны) гармонично сочетались с основным, создавая единое прекрасное целое. Все практические находки тщательно записывались, составлялись таблицы размеров, масс, состава металла. Эти сведения часто хранились в секрете. Основные таблицы были сделаны в XVI в. Но только в XVIII в. удалось найти такую «правильную» форму колокола, при которой он звучал особенно гармонично: было значительно расширено основание и наращена нижняя часть, ей придан вид заостренной массивной «губы». Выработался тип русского колокола. В нем диаметр нижней части равен высоте колокола, а диаметр верхней части - половине диаметра нижней. (Отметим для сравнения: китайский колокол более сжат внизу и дает глухой звук.)

В тоже время литейщики пришли к выводу, что при таком профиле колокол может давать, совмещая, три гармонических тона, но при этом сила трезвучия поглощает добавочные тона.

Несколько слов о «языке» колокола. «Язык» изготавливают из железа. Масса его обычно составляет 1/25 от массы колокола (для больших колоколов - это отношение меньше). Форма может быть различной: она зависит от способа возбуждения звука — раскачивают ли «язык» или раскачивают колокол; первый способ — русский, второй — западноевропейский.

В начале XX в. по количеству, качеству и величине колоколов, гармонии даваемых ими звуков Россия занимала в мире первое место.

Обратим теперь внимание на явление резонанса. Устройство колокола таково, что его звучание — это дуэт металла и столба воздуха в нем, который приходит в колебательное движение с частотой, равной частоте колебаний стенок совершая вынужденные колебания. Чтобы собственная частота колебаний столба воздуха совпадала с частотой колебаний стенок колокола, столб должен иметь определенные параметры и ударять по нему надо в определенные моменты.

Благодаря резонансу возрастает амплитуда и энергия звуковой волны и, как следствие, — грамотность звука.

В звоне (звуке) колокола, т. е. в его звуковом спектре, присутствуют неслышные звуки — ультразвук и инфразвук. Наше ухо не воспринимает их, но человек — биологическая система, и поэтому, так или иначе, отзывается на их воздействие. Не потому ли, когда бьют колокола, в душе возникают ощущение торжественности, причастности к чему-то духовно высокому и светлому, ощущение неразрывной связи со своей родиной, со своим народом, его историей и традициями; или, наоборот, душой овладевают печальные, тревожные чувства?

Колокол русский народный,

Колокол храма святой,

Чуден голос свободный,

Люб отголосок мне твой.

Чистые, чудные звуки

Любо душою ловить,

Или тревожные муки

В сердце больном хоронить...

VI. «Дома», где живут колокола и рождаются звуки

Колокола, как мы уже говорили, размещают на колокольнях — специальных башнях с открытым верхним ярусом, стоящим рядом с храмом, или на звонницах - особых надстройках с проемами на самом храме. Колокольня Ивана Великого в московском Кремле (построенная в 1505-1600 гг.)

В их устройстве тоже используются явление резонанса, причем с древних времен. Так, в верхней части колоколен и звонниц, их шатрах (см. рис. 10-1) располагаются «слухи» (2) - отверстия (окошечки, убывающие по величине к вершине) для резонанса звука. Размеры отверстий делаются такими, чтобы частота колебаний столба воздуха в них совпадала с частотой звучания колокола, («звона») (3). Кроме того, в толщу стен барабанов (4) иногда встраивают пустые глиняные кувшины или горшки - «голосники», которые выполняют такую же роль, как и «слухи» (рис. 10).

В роли резонатора выступает также просторное и пустое пространство первого этажа звонниц, а в колокольне — весь внушительный по высоте (не в один десяток метров) столб воздуха в ней.

На звонницах и колокольнях размещали обычно сразу несколько колоколов, на еще более внушительном по размерам — пространстве над гладью озера Неро. Здесь звон колоколов становится особенно мягким и мелодичным.

VII. Из чего льют колокола

Многовековой опыт русских мастеров показал, что из всех материалов наилучший для изготовления колоколов — бронза, состав которой: 4 части меди и 1 часть олова (80 и 20% соответственно). Этот сплав слабо рассеивает механическую энергию за период колебания: у бронзы доля рассеяния наименьшая - 0,005, в то время как у меди - 0,03, латуни - 0,015, стали - 0,035.

Другие характеристики бронзы таковы:

• плотность ρ = 8800 кг/м³;

• модуль Юнга Е = 1,0 · 10¹¹ Н/м²;

• температура плавления t_пд = 880 °С;

• твердость по Бринеллю 7,5 · 10⁸ Н/м²;

Медь и олово - мягкие материалы, но в сплаве делаются твердыми. Цвет сплава - серовато-стальной, вид — однородный. В сплаве присутствуют и примеси (этого просто не избежать): наибольшее количество свинца (около 2 %), цинка (1,2 %), железа (1,2 %); но это вредные примеси: так, наличие свинца снижает звонкость и твердость. При литье колоколов важно соблюдать процентное соотношение олова и меди в материале, поскольку избыток олова придает колоколу звонкость, но делает бронзу более хрупкой.

VIII. Эпилог

Для нас, сегодняшних россиян, в российском колоколе и его звонах воедино слиты и история, и наука, и любовь к родине, и знания мастеров колокольного дела, и песни, и душа народа.

Малиновый звон на заре

Скажи моей милой земле,

Что я в нее с детства влюблен,

Как в этот малиновый звон.

А. Поперечный

Домашнее задание

П. 42.