ЗВУК в ПРИРОДЕ
( интегрированный урок механика + биология)
9 класс.
Этот урок я провожу после прохождения темы " Звуковые волны " в качестве расширения понятия " звук " и для закрепления навыков решения задач по теме " Механические волны ".

Цель урока: показать связь физики и биологии, расширить понятие "звуковые волны", рассказать о применение ультразвука в природе. Закрепить навыки решения задач.

Оборудование урока : плакаты "Ультразвук и его применение ", "Эхолокация в природе", карточки с задачами .


Эхо - неизменный ответ
природы на вопросы,
которые мы ей задаем.

Сегодня на уроке мы будем говорить с вами о звуках в природе, и о применении звуковых волн природой . Обычно , когда говорят о звуках издаваемых животными , прежде всего говорят о птицах, так как чаще всего мы слышим их голоса. Что же касается других живых организмов (млекопитающих), то многие считают их чуть ли не немыми .Хотя на самом деле многие животные достаточно говорливы , просто мы не всегда можем их услышать. Ученые объясняют это очень просто : звери очень осторожны и как правило ведут скрытый образ жизни, и кроме этого , нередко звуковая связь между ними осуществляется на недоступной для нашего слуха высоте.

Сообщение 1." Акустические сигналы у насекомых и рыб ".
У социальных насекомых ( термитов , муравьев , пчел , шмелей ) очень разнообразная звуковая сигнализация для оповещения членов семей об опасности. Сигналы стимулируют различные защитные реакции .Так у муравьев- листорезов обнаружено использование акустических сигналов , которые выполняют роль призыва о помощи .Такие сигналы генерируют муравьи, оказавшиеся под обвалившимся муравейником , что нередко случается в условиях влажного тропического климата .Сигналы стимулируют муравьев, находящихся на поверхности, раскапывать обвалившийся грунт и спасать членов семьи , терпящих бедствие.
Пчелы пользуются пульсирующими звуковыми сигналами . С помощью таких
сигналов они указывают членам своей семьи расстояние до обнаруженного источника корма .
В царстве животных насекомые и рыбы отличаются многообразием механизмов генерации звуковых сигналов .При этом у рыб используются преимущественно органы , основная функция которых не имеет прямого отношения к генерации звуков (это - плавники ,плавательный пузырь ...).
В отличие от рыб у насекомых генерация акустических сигналов обеспечивается большим разнообразием специализированных структур. Они отличаются по строению на теле насекомых .
( целесообразно показать строение рыб и некоторых насекомых и показать части тела , которые генерируют звуковые волны )

На земле примерно 10^18 различных насекомых. Все они различны, отличаются они числом взмахов крылышек, а значит и длина звуковой волны, которую они генерируют различна. Так комары делают около 1000 взмахов крыльями , шмели около 200 , бабочки 5-10 взмахов в секунду. Пчелы, летящие налегке , 400-500 взмахов в секунду, а с ношей - около 200 раз в секунду. Определите длину звуковой волны ,которую при этом генерируют эти насекомые.
( ответ : если принять , что скорость звука равна 340 м/с , то длина волны, которую генерирует комар равна 0.34 м , шмели - 1.7 м, бабочки 68 - 34 м, пчелы, летящие налегке 0.85-0.34 м , а с ношей 1.7 м.)

Сообщение 2.Акустические свойства различных мест обитания животных. Млекопитающие живут в пустынях ,в степях ,в лесах , где акустические свойства среды сильно отличаются друг от друга .Так в пустыне и степи воздух днем отличается низкой влажностью и высокой температурой . В таких условиях значительно ухудшается передача звуков частотой более 1 кГц , так как эти частоты сильно поглощаются .При относительной влажности воздуха 20 % затухание звука частотой 3 кГц составляет 14 дБ на 100 м.
Для животных , обитающих в лесу или в густой траве , общение с помощью звуковых сигналов остается единственным способом коммуникации. Однако на распространение звука в этих местах сильно влияет плотность и высота растительного покрова . Так , при прохождении звука частотой 10 кГц над густой высокой травой затухание составляет 0.6 дБ на 1 метр, в то время как при распространении его над землей с редкой невысокой травой - всего 0.18 дБ на 1 метр.

Таким образом ,очевидно, что среда обитания животных оказывает влияние на формирование у них особенностей системы звуковой сигнализации. Попробуем произвести расчеты , а какую громкость должен иметь звук, чтобы животные слышали друг друга в степи и в лесу на расстоянии 10 м, при вышеупомянутых характеристиках , то есть затухание звука частотой 3 кГц в степи принять за 14 дБ на 100 м , в лесу с густой травой затухание звука частотой 10 кГц составляет 0.6 дБ на 1 метр , с редкой невысокой травой 0.18 дБ на 1 метр.
( ответ :в степи 1.4 дБ , в лесу с густой травой 6 дБ , с редкой травой 1.8 дБ - это минимальные значения громкости звука)

Сообщение 3.Эхолокация у летучих мышей .
Летучие мыши нашей фауны представлены двумя семействами: гладконосые и подковоносые летучие мыши, именно эти семейства обладают наиболее интересными типами эхолокационных систем. Когда животное зондирует пространство , оно испускает и воспринимает импульсы частотой от 30 до 150 кГц .На расстоянии 5- 10 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар ( 1 бар = 10 ^ 5 Па ), то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука , создаваемого отбойным молотком . Эхо от своего сигнала летучие мыши способны воспринимать при давлении в 10000 раз меньше, чем испускаемых сигналов .При этом мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае , когда накладываются ультразвуковые помехи. Сигналы летучие мыши испускают ртом ( гладконосые ) или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием ( подковоносые ). Мыши могут различать предметы на расстоянии 20 см размерами 0.05-0.008 мм. У некоторых ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, который сбивает со следа летучих мышей, преследующих этих насекомых.

Сообщение 4.Локационные сигналы у дельфинов.
Как известно, все млекопитающие для производства звуков в той или иной степени используют голосовые связки. Считалось, что китообразные их не имеют . Сейчас доказано наличие в гортани дельфина афалины четко выраженной голосовой связки .Для получения информации о наличии рыбы или предметов афалина издает серии коротких сигналов , воспринимаемых человеком как щелчки .Считается , что именно с помощью таких щелчков дельфины получают информацию о местонахождении предметов и об их качественных характеристиках .
Пределы слухового восприятия у дельфинов простираются от 75 до 180 кГц , но эти значения получены только для одного вида , а именно для афалины .У других исследованных видов дельфинов верхние границы слуха оказываются ниже.
Наблюдения за афалиной показали , что в спокойном режиме плаванья животного частота издаваемых ею щелчков сохраняется в пределах 10-15 импульсов в секунду . Однако при подходе к объекту на расстояние 0.4 метра она переходит на форсированный режим излучения сигналов , и частота их следования мгновенно возрастает до 200 , а затем и до 500 импульсов в секунду .В отличие от летучих мышей , у которых увеличение частоты сигналов совпадает с моментом обнаружения предметов , афалина переходит на форсированный режим излучения зондирующего сигналов только вблизи лоцируемого объекта , то есть много позже того , как она обнаружила его и опознала.
Оказалось, что афалина четко определяет месторасположение шарика диаметром 8 миллиметров - с 13 метров , а ставриду , длиной 13.5 см дельфин четко определяет на расстоянии 9.8 м . В естественных условиях максимальная дальность обнаружения предметов может быть во много раз больше . Так отражатель с ребром в 20 см дельфин обнаружил на расстоянии 260 метров. Таким образом, гидролокатор может использоваться китообразными для обнаружения объектов на расстоянии нескольких сот метров.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что дельфины способны добиваться оптимальных условий для получения исчерпывающей информации о подводных объектах . Определите время прохождения импульса до рыбы, если афалина засекла ее на расстоянии 300 метров. (скорость звука в воде примите за 1500 м/с )
( ответ : импульс до рыбы проходит за 0.2 с , а возвращается до дельфина через 0.4 с )

Звуки в жизни зверей имеют огромное значение, часто именно они обеспечивают возможность встречи самки и самца в период размножения. Решение конфликтных вопросов между животными тоже не обходится без специфических звуковых сигналов . Звуками животные предупреждают друг друга об опасности. Для понимания поведения зверей необходимо разбираться в их голосовых реакциях , ведь частотный диапазон, который генерируют и воспринимают звери различен .Так ежи реагируют главным образом на частоты от 0.8 до 25 кГц , землеройки от 2 до 80 кГц, крысы от 0.5 до 60 кГц, мыши от 1 до 50 кГц ,садовые сони от 0.5 до 80 кГц, волки от 0.1 до 2 кГц, лисы от 0.1 до 6 кГц , койоты от 0.1 до 30 кГц , собака от 0.1 до 20 кГц, слепыши от 0.1 до 10 кГц .
Рассчитайте диапазон длин волн, который воспринимают животные, произведите расчет для двух зверей.
( ответ : диапазон длин волн у ежа равен 0.425 до 1.36*10^-2 м , у землеройки - от 0.17 до 4.25 * 10^-3 м, у крысы 0.68 до 5.7* 10^-3 м, у мыши от 0.34 до 0.068 м, у садовой сони от 0.68 до 4.25*10^-3 м, у волка от 3.4 до 0.17 м, у лисы от 3.4 до 5.7*10^-2 м , у койота от 3.4 до 1.14 * 10 ^ -2 , у собаки от 3.4 до 0.017 м, у слепыша от 3.4 м до 0.034 м. При решении задач скорость звука в воздухе принималась за 340 м/с )

При изучения поведения животных можно рассматривать различные подходы. Сегодня на уроке мы рассмотрели только некоторые аспекты жизни животных изучая звуковую коммуникацию и акустическую среду обитания. Эта тема очень большая и значительная и интерес к ней всегда огромен и, конечно, за 40 минут познать ее невозможно. Поэтому я предлагаю вам, если вас заинтересовали вопросы общения животных , пути к расшифровке языка зверей обратиться к книгам , в которых вы можете найти ответы на некоторые вопросы.

1.Д.Мак-Фарленд .Поведение животных . Издательство " Мир" . 1988 год. [ В этой книге увлекательно описывается поведение животных , рассматриваются вопросы эволюции поведения, физиологические механизмы .]
2.Э.Хадорон , Р.Верн .Общая зоология . Издательство " Мир". 1989 год. [В этой книге очень много информации и иллюстраций по зоологии .]
3.А.И.Константинов, В.И.Мовчан .Звуки в жизни зверей .Издательство Ленинградского университета .1985 год .
[ В этой книге рассказывается о звуковом общении различных млекопитающих , которые живут в лесах , степях , пустынях , тундрах , в глубинах океанов .]