1 Л.п.11 кл Измерение скорости звука в воздухе

Лабораторный практикум 11 класс

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ВОЗДУХЕ.

Цель работы: измерение скорости звука в воздухе методом интерференции звуковых волн.

Оборудование:

1. Ноутбук с программой «Генератор»

2. Прибор для измерения скорости звука в воздухе.

Теория.

Звук – это механические колебания, воспринимаемые ухом человека. Диапазон частот этих колебаний от 20 Гц до 20 кГц. В воздухе они распространяются в виде продольных звуковых волн. Скорость звуковых волн в воздухе, как и в любом газе, примерно равна скорости движения его молекул. Она зависит от молярной массы газа, его температуры и числа степеней свободы его молекул, но не зависит от частоты звука и давления газа, если он близок к идеальному. Теоретически ее можно вычислить по формуле

v = (1)

=C /C - это отношение молярных теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме. Для воздуха как для двухатомного газа, =1,4.

Скорость любых волн равна произведению длины волны на частоту

v= (2)

По этой формуле вычисляется скорость звука в данной работе. Частота звука определяется по шкале генератора, а длина волны находится из условия максимального ослабления двух волн при интерференции.

Прибор для измерения скорости звука в воздухе состоит из двух подключенных к компьютеру наушников, колеблющихся в одинаковых фазах (синфазно) Звуковые волны от наушников распространяются по двум трубкам. Длину одной из трубок можно изменять, создавая разность пройденных звуком расстояний – разность хода звуковых волн. Звук из обеих трубок попадает в трубку фонендоскопа, где происходит интерференция звуковых волн. Если разность хода звуковых волн (разность длин трубок) равна целому числу длин волн |d -d | = k ,то волны при интерференции максимально усиливают друг друга, а при разности хода, равной нечетному числу полуволн |d -d | = (2k+1) /2, они максимально ослабляют друг друга. Поэтому при увеличении длины одной из трубок в наушниках фонендоскопа слышны поочередные усиления

и ослабления звука. Длину волны удобнее определять по точкам наибольшего ослабления звука. Каждое следующее максимальное ослабление звука наступает при увеличении разности хода на длину волны.

Ход работы.

1. Включите компьютер, запустите программу «Генератор 2»:

2. Сделайте следующие установки:

• Форма сигнала: ~ (синусоидальная)

• Шаг изменения частоты: «1000»

• Амплитуда сигнала: «10%»

• Сдвиг фаз «0»

3. Установите частоту генератора 3000 Гц. Наденьте наушники фонендоскопа. Выдвигая пластиковую трубку из стеклянной, увеличивайте разность хода звуковых волн от 0 до точки, в которой произойдет 1-ое максимальное ослабление звука. Запишите эту разность хода ∆d в таблицу 1.

Таблица 1

№ оп	Частота звука ; Гц	Разность хода при 1-м min ∆d ; м	Разность хода при n-м min ∆d ; м	Изменение разности хода ∆d -∆d ; м	Длина волны = ; м	Скорость звука v= ; м/с
1.	3000
2.	4000
3.	5000

4. Продолжайте увеличивать разность хода волн и считайте число максимальных ослаблений звука n. Запишите в таблицу наибольшее число ослаблений n и соответствующую ему разность хода ∆d .

5. Вычислите длину звуковой волны, поделив изменения разности хода ∆d -∆d на число длин волн (n-1).

6. Повторите предыдущие опыты для частоты звука 4000 Гц и 5000 Гц.

7. Вычислите среднее значение скорости звука.

8. Зная молярную массу воздуха и его температуру, вычислите по формуле (1) теоретическое значение скорости звука и сравните его с результатом, полученном в эксперименте. Оформите как задачу.

Контрольные вопросы.

1. Что такое звук? Диапазон звуковых частот? Что может быть источником звука? В какой среде он может распространяться? От чего зависит громкость звука? Высота звука? Тембр?

2. К какому типу волн относятся звуковые волны в воздухе? Колебания каких физических величин происходят в звуковой волне? От чего зависит скорость звука в воздухе?

3. Почему в данной работе используется звук достаточно высокой частоты (3-5 кГц)? Почему в работе разность хода надо брать по возможности больше?

4. Что изменится, если сдвиг фаз в программе генератора установить 180°?

5. Как надо изменить конструкцию прибора, чтобы увеличить точность измерения скорости? Зависит ли результат измерения скорости от температуры воздуха, его давления, влажности?

6. Какие еще способы измерения скорости звука Вы знаете?

7. Как изменится плотность потока энергии звуковой волны (энергия, переносимая волной в единицу времени через единицу площади), если расстояние от точечного источника звука до приемника увеличится в 2 раза?

8. Что такое интерференция? От каких источников звука ее можно получить? Как получить интерференцию от одного источника звука? Условие максимального усиления и максимального ослабления 2-х волн при интерференции.

9. При каких разностях хода 2-х звуковых волн частотой 680 Гц при скорости звука 340 м/с будет наблюдаться максимальное усиление при интерференции? Максимальное ослабление?

10. В точках с координатами 0 м и 10 м установлены колеблющиеся синфазно громкоговорители, излучающие звуковые волны длиной 2 м. Перечислите координаты точек на прямой между громкоговорителями, в которых будет максимальное усиление звука при интерференции и его максимальное ослабление.

Измерение скорости звука в воздухе Таблица 1

№ оп	Частота звука ; Гц	Разность хода при 1-м min ∆d ; м	Разность хода при n-м min ∆d ; м	Изменение разности хода ∆d -∆d ; м	Длина волны = ; м	Скорость звука v= ; м/с
1.
2.
3.

Измерение скорости звука в воздухе Таблица 1

№ оп	Частота звука ; Гц	Разность хода при 1-м min ∆d ; м	Разность хода при n-м min ∆d ; м	Изменение разности хода ∆d -∆d ; м	Длина волны = ; м	Скорость звука v= ; м/с
1.
2.
3.

Измерение скорости звука в воздухе Таблица 1

№ оп	Частота звука ; Гц	Разность хода при 1-м min ∆d ; м	Разность хода при n-м min ∆d ; м	Изменение разности хода ∆d -∆d ; м	Длина волны = ; м	Скорость звука v= ; м/с
1.
2.
3.

Измерение скорости звука в воздухе Таблица 1

№ оп	Частота звука ; Гц	Разность хода при 1-м min ∆d ; м	Разность хода при n-м min ∆d ; м	Изменение разности хода ∆d -∆d ; м	Длина волны = ; м	Скорость звука v= ; м/с
1.
2.
3.

Измерение скорости звука в воздухе Таблица 1

№ оп	Частота звука ; Гц	Разность хода при 1-м min ∆d ; м	Разность хода при n-м min ∆d ; м	Изменение разности хода ∆d -∆d ; м	Длина волны = ; м	Скорость звука v= ; м/с
1.
2.
3.

Измерение скорости звука в воздухе Таблица 1

№ оп	Частота звука ; Гц	Разность хода при 1-м min ∆d ; м	Разность хода при n-м min ∆d ; м	Изменение разности хода ∆d -∆d ; м	Длина волны = ; м	Скорость звука v= ; м/с
1.
2.
3.

Измерение скорости звука в воздухе Таблица 1

№ оп	Частота звука ; Гц	Разность хода при 1-м min ∆d ; м	Разность хода при n-м min ∆d ; м	Изменение разности хода ∆d -∆d ; м	Длина волны = ; м	Скорость звука v= ; м/с
1.
2.
3.