Лабораторная установка для определения скорости звука методом стоячих волн

Опубликовано Рожкова Евгения Алексеевна вкл 23.06.2025 - 17:35

Автор:

Прядуха Александр (11 класс)

На основе теоретических знаний по теме "Звук" курса физики, а так же изучив работы по определению скорости звука, предлагаемые ВУЗами страны, обучающийся определяет компоненты и собирает 2 установки для определения скорости звука методом стоячих волн. Проводит измерения, получает результаты, позволяющие утверждать возможность использования установок на уроках физики.

Скачать:

Вложение	Размер
Лабораторная установка для определения скорости звука методом стоячих волн	173.46 КБ

Предварительный просмотр:

XXI НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

АО «ГАЗПРОМНЕФТЬ-ОНПЗ»

Исследовательская работа

«Лабораторная установка для определения скорости звука в воздухе методом стоячих волн»

Автор работы:

Прядуха Александр

учащийся 11 класса

МБОУ «Ульяновская СОШ»

Руководитель:

Рожкова Е.А.

МБОУ «Ульяновская СОШ»

учитель физики

Омск - 2025

Оглавление

Введение……………………………….………………………………………3

Глава 1.Теоретическая часть…………………………………………………4

1.1.Звук и его характеристики…………………….………………………….4

1.2.Стоячие волны…………………………………………….………………4

1.3.Выводы по главе 1…………………….……………………….………….5

Глава 2.Лабораторная установка для определения скорости звука методом стоячих волн……………………………………………………………….…..6

2.1.Компоненты установки и её использование

для определения скорости звука……………………………………….……6

2.2.Лабораторная установка (вариант 1)……………………………….……7

2.3.Лабораторная установка (вариант 2)……………………………….…….8

Глава 3.Результаты определения скорости звука в воздухе с использованием установок собранных установок …………………..………………………..10

Заключение…………………………………....………………………….…...12

Литература (источники информации)……………………………………….13

Приложение 1………………………………………………..………….……..14

Введение

В кабинете «Физика» нашей школы имеется лабораторное оборудование, которое постоянно обновляется. С 2023-2024 уч.года мы выполняем учебные исследования и с использованием современного цифрового оборудования, которое получила школа в связи с открытием в школе центра «Точка роста» естественнонаучной направленности.

Некоторые демонстрации, практические работы, которые не позволяет провести оснащение кабинета физики в школе, смотрим онлайн в сети Интернет. Многие из них довольно простые в проведении. Одна из таких - работа по определению скорости звука в воздухе методом стоячих волн.

Я решил попробовать сделать подобную установку для лаборатории школы. Практическая значимость: школьники получат возможность определять значение скорости звука в условиях школьной физической лаборатории.

Цель работы: собрать установку для определения скорости звука в воздухе методом стоячих волн.

Гипотеза: установку для определения скорости звука методом стоячих волн можно сделать из имеющихся «подручных» материалов и устройств.

Задачи:

1.Изучить варианты практических работ по определению скорости звука в воздухе.

2.Сформулировать теоретические основы определения скорости звука в воздухе методом стоячих волн.

3.Определить компоненты установки для определения скорости звука в воздухе.

4.Собрать установку.

5.Определить скорость звука в воздухе. Сравнить полученные значения скорости звука в воздухе с табличными.

Объект: способ определения скорости звука методом стоячих волн.

Предмет: лабораторная установка для определения скорости звука методом стоячих волн.

Методы исследования: анализ, обобщение, сравнение, эксперимент, измерение.

Глава 1.Теоретическая часть

1.1.Звук и его характеристики

Звук - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в газах, жидкостях или твёрдых телах (веществах) с частотой от 16 Гц до 20000Гц, воспринимаемых человеческим ухом. Звуковые волны в газах и жидкостях являются продольными и представляют собой последовательные сгущения и разряжения частиц среды. При распространении звуковой волны в воздухе в каждой точке пространства наблюдаются попеременно деформации сжатия и разрежения, что приводит к изменению давления в среде по сравнению с атмосферным (статическим) давлением. Распространение звука характеризуется его скоростью. Расстояние λ, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний частиц среды T, называется длиной волны. Частицы, отстоящие друг от друга на λ, колеблются с одинаковой фазой.

Длина волны рассчитывается как λ=c⋅T , где c - скорость волны, T — период колебаний. Величина, обратная периоду, называется частотой. Скорость волны можно рассчитать по формуле с=λ⋅ν .

1.2.Стоячие волны

Стоячая волна — колебательный процесс с характерным устойчивым в пространстве расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды. Стоячая волна образуется при наложении двух встречных волн с одинаковой амплитудой и частотой. На практике стоячие волны можно получить при отражении волн от преград. Падающая на преграду волна и бегущая ей навстречу отраженная, налагаясь, дают стоячие волны.

Стоячая волна - частный случай интерференции волн, при которой фиксируется взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух когерентных волн при их наложении друг на друга. Длина стоячей волны – это расстояние между двумя увеличениями (максимумами) или уменьшениями (минимумами) амплитуды. Длина стоячей волны λ0 равна половине длины бегущей волны λ (рис.1) .

1.3.Выводы по главе 1

Для определения скорости распространения звуковой волны необходимо знать частоту и длину волны. Длину звуковой волны можно определить, получив стоячую звуковую волну. Для этого необходимо создать условия для наложения двух звуковых волн одинаковой амплитуды и частоты, что достигается наложением падающей и отражённой от плоской поверхности звуковых волн от одного источника. Стоячая звуковая волна представляет собой усиление колебаний звука в одних точках пространства и ослабление в других. По фиксируемым усилениям (ослаблениям) звука в стоячей волне можно определить длину λ0 стоячей волны (рис.1), далее по этому значению определить длину λ звуковой волны, идущей от источника звука (рис.1).

Рис.1.Графическое изображение стоячей волны.

Глава 2.Лабораторная установка для определения скорости звука

методом стоячих волн

2.1.Компоненты установки и её использование для определения

скорости звука

Первая из составляющих установки - цилиндрическая труба-резонатор - 1, ограничивающая воздух в одном «месте» пространства. Внутри трубы отражающая поверхность - 2, «способная» менять своё положение (координату) вдоль трубы. Таким образом, с одного края трубы «выход» для воздуха всегда закрыт. У открытого конца трубы закреплён источник звуковых колебаний -3. Для фиксации положения поверхности при усилениях (ослаблениях) звука - метровая линейка – 4 (рис.2).

Рис.2.Общая схема установки.

Звуковые стоячие волны образуются из волны, идущей от источника к отражающей поверхности, и из отраженной волны, фаза которой изменилась на обратную, так как отражение происходит от среды акустически более плотной. Считается, что отраженная волна не воздействует на источник колебаний.

При определенных положениях отражающей поверхности в трубе возникает акустический резонанс: колебания столба воздуха в трубе достигают максимальной амплитуды. При этом звучание воздушного столба в трубе максимально. Если постепенно двигать отражающую поверхность к источнику звука, то можно добиться резонанса, то есть максимального звучания воздушного столба, заключенного в трубе. При дальнейшем перемещении отражающей поверхности будет слышно последовательно усиление и ослабление звука: в трубе образуются стоячие волны, причем у поршня всегда будет узел (ослабление звука), а у открытого конца, где находится источник, пучность (усиление звука) (рис.3).

Рис.3.Расположение узлов и пучностей стоячей волны в трубе.

С помощью линейки фиксируется положение отражающей поверхности в моменты усилений звука. Расстояние межу двумя соседними узлами, в которых будет находиться отражающая поверхность в моменты усиления звука, будет равно длине стоячей волны λ0 (или половине длины звуковой падающей и отражённой волн). Длина звуковой волны λ = 2∙λ0 . Зная частоту колебаний источника звука и определив длину звуковой волны λ, определяют скорость распространения звука по формуле: c = λν.

2.2.Лабораторная установка (вариант 1)

Элементами установки (вариант 1) являются цилиндрическая пластиковая труба – 1 на деревянной подставке – 2; внутри трубы свободно перемещается стальной поршень- отражатель - 3 с прикреплённой к нему измерительной линейкой - 4. С одной стороны трубы «пробка» - 5 с отверстием для измерительной линейки, с помощью которой передвигается поршень. У открытого конца трубы располагается источник звуковых сигналов – звуковая колонка - 6, мембрана которой совершает колебания, которые задаются онлайн-генератором звуковых сигналов. Для этого колонки подключены к ноутбуку – 7 (рис.4, 5).

Рис.4.Схема установки для определения скорости звука в воздухе (вариант 1)

$C:\Users\Рожкова\Downloads\20250212_172016.jpg$

Рис.5.Установка для определения скорости звука в воздухе (вариант 1)

При создании установки я использовал старую книжную полку, кусок пластиковой водопроводной трубы диаметром 50 мм, металлическую метровую линейку, два металлических крепежа, четыре самореза. Металлический поршень выточил по моей просьбе Иманжанов Э.Г., токарь цеха ОО «Ульяновское». Установка абсолютно безопасна в использовании.

2.3.Лабораторная установка (вариант 2)

Существенное отличие этой лабораторной установки от варианта 1 в том, что в ней отражающей поверхностью является поверхность жидкости (воды).

Стеклянная труба-резонатор – 1, закреплённая вертикально на штативе - 2, открыта с верхнего края. К нижнему концу трубы подсоединено фторопластовое кольцо -3 с патрубком, на который надета резиновая трубка -4, соединённая с ёмкостью для жидкости - 5 (пластмассовой воронкой). К верхнему краю трубы тоже присоединено фторопластовое кольцо. Уровень жидкости (положение отражателя) изменяется благодаря тому, что ёмкость и труба являются сообщающимися сосудами. Положение отражателя в трубе меняется перемещением ёмкости в вертикальном направлении. Вдоль трубы закреплена метровая линейка - 6 для фиксации положения отражателя в трубе. Над открытым концом трубы полочка -7, закреплённая на штативе с помощью металлической трубки, для установки источника звуковых сигналов – звуковой колонки - 8, мембрана которой совершает колебания, которые задаются онлайн-генератором звуковых сигналов. Для этого колонка подключена к ноутбуку – 9 (рис.6,7).

Рис.6. Схема установки для определения скорости звука в воздухе (вариант 2)

$C:\Users\Рожкова\Downloads\20250212_171821.jpg$ $C:\Users\Рожкова\Downloads\20250212_171834.jpg$

Рис.7.Установка для определения скорости звука в воздухе (вариант 2)

При создании установки я использовал штатив, муфты и лапки из кабинета физики, алюминиевую пластинку, стальную трубку □10, отрезок от старой рулетки, корпус вышедшей из строя люминесцентной лампы, в качестве воронки для заполнения жидкостью трубы - деталь молокопровода. Полочку из листа железа, фторопластовые кольца выточил Иманжанов Э.Г. Установка безопасная для использования.

Точные размеры изготовленных деталей установки представлены в Приложении 1.

Глава 3.Результаты определения скорости звука в воздухе с использованием собранных установок

Я измерял скорость звука в воздух, используя разные звуковые частоты.

В Таблицах 3 и 4 показаны значения величин, полученных в ходе некоторых выполненных мною лабораторных работ (при температуре воздуха 25°С).

Таблица 3. Результаты измерений и определений величин в лабораторной работе с использованием установки варианта 1

№ узла	координата х, м	длина стоячей волны λ0, м	среднее значение длины стоячей волны λ0ср, м	длина звуковой волны, λ, м	частота звука ν, Гц	скорость звука c, м/с
1	0,84		0,095	0,19	1800	342
2	0,74	0,10
3	0,64	0,10
4	0,55	0,09
5	0,45	0,10
6	0,36	0,09
7	0,26	0,10
8	0,17	0,09

1	0,94		0,168	0,336	1000	336
2	0,79	0,15
3	0,62	0,17
4	0,45	0,17
5	0,275	0,175
6	0,10	0,175

Таблица 4. Результаты измерений и определений величин в лабораторной работе с использованием установки варианта 2

№ узла	координата х, м	длина стоячей волны λ0, м	среднее значение длины стоячей волны λ0ср, м	длина звуковой волны, λ, м	частота звука ν, Гц	скорость звука c, м/с
1	0,48		0,09	0,18	1800	324
2	0,40	0,08
3	0,30	0,10
4	0,21	0,09
5	0,11	0,10

1	0,40		0,058	0,116	3000	348
2	0,345	0,055
3	0,285	0,06
4	0,23	0,055
5	0,17	0,06
6	0,11	0,06

1	0,62		0,173	0,346	1000	346
2	0,45	0,17
3	0,28	0,17
4	0,10	0,18

Расхождения полученных значений скорости звука в воздухе с табличным значением есть: при температуре воздуха 25°С скорость звука в воздухе 346,6м/с. Это может быть связано с тем, что у каждого генератора имеются допустимые отклонения частоты; не исключены неточности в определении координат узлов, так как точно (одинаково) определить максимум громкости звука очень трудно. Порядок определения скорости соответствует табличным значениям. Ошибка при определении величины не превышает 6%.

Заключение

Цель своей работы я достиг. Мне удалось собрать 2 установки для определения скорости звука в воздухе методом стоячих волн из имеющихся «подручных» материалов и устройств. Используя собранные лабораторные установки, я получил достоверные значения скорости звука в воздухе.

Результаты моей практической работы показывают, что собранные установки позволяют достаточно точно определить скорость звука в воздухе; их можно использовать на уроках физики в качестве лабораторного оборудования для определения скорости звука в воздухе.

Литература (источники информации)

1.Опыты по физике. Измерение скорости звука. https://yandex.ru/video/preview/9990646840476306827

2. СУНЦ МГУ. Школа им.А.Н.Колмогорова. Определение скорости звука методом стоячих волн в трубе. https://internat.msu.ru/media/uploads/2013/05/3.12

3. Лабораторный практикум 11 кл. https://1502.moscow/files/ucheb_m/11kl_lab_praktikum_16_2022.pdf

4.ЮЗГУ (Юго-западный государственный университет). Лабораторная работа № 18. https://swsu.ru/structura/up/fiu/kafedra-nt/educational_materials/methodological_guidelines_mechanics_and_thermodynamics/lab_rab_mech_18.pdf

5.Определение скорости звука в воздухе. https://yandex.ru/video/preview/9764182961870418029

6. Генератор звуковых частот. https://ldsound.club/pages/frequency_generator/

7.Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс : учеб. для общеобразоват. организаци : базовый и углубл. уровни / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин ; под ред. Н.А.Парфентьевой. – 7-е изд., перераб. – М. : Просвещение, 2019.

Приложение 1

Размеры изготовленных деталей второго варианта установки

для определения скорости звука в воздухе методом стоячих волн

Дет.№1. Фторопластовое кольцо