Лабораторная работа "Определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн"
методическая разработка по физике (9, 10, 11 класс)

Лабораторная установка  (вариант 1)

для определения скорости звука в воздухе методом стоячих волн

      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.1, 2).

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

Рис.2.Установка для определения скорости звука в воздухе (вариант 1)

        При создании установки использована старая книжная полку, кусок пластиковой водопроводной трубы диаметром 50 мм, металлическую метровую линейку, два металлических крепежа, четыре самореза, металлический поршень  диаметром около 50мм (чтобы плотно, но свободно перемещался внутри трубы.

Описание лабораторной работы для учащихся

 «Определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн»

Цель работы: определить скорость распространения звука в воздухе методом стоячих волн.

Приборы и материалы: пластиковая труба с подвижным поршнем, соединённым с измерительной линейкой, звуковая колонка, работающая от ноутбука,  ноутбук.

Указания к работе:  

1.Включите ноутбук. В браузере в поисковой строке наберите  онлайн-генератор звуковых частот. Перейдите на сайт  ldsound.club.  Установите частоту в пределах 1800 - 3000 Гц, выставьте громкость 30%.  Подключите колонку к ноутбуку.

2. Вытяните  линейку из трубы до упора, пока  поршень не коснётся закрытого конца трубы. Поставьте колонку на расстоянии около 5мм к открытому концу трубы  мембраной к ней. В онлайн-генераторе нажмите «применить», следом - «воспроизвести».

Примечание: для комфортного восприятия звука можно регулировать громкость звучания регулятором громкости колонки.

3.Медленно и равномерно двигайте линейку (поршень) вдоль трубы. Запишите значения х по шкале линейки, соответствующие максимальному уровню звука, это будет координата узла стоячей волны.

4.Двигайте линейку далее до следующего узла, соответствующего максимальной громкости звука. Запишите значение координаты в таблицу.

5.Продолжайте двигать линейку  и записывать  координаты  узлов. Результаты

измерений и вычислений записывайте в таблицу 1.

Таблица 1

6.По разности полученных значений определите длину стоячей волны  

xn+1 - xn = λ0

7.Вычислите среднее значение λ0ср = (λ01  + λ02 +… λ0n)/ n.

8.Вычислите значение длины звуковой волны  λ=2∙ λ0 

9.Рассчитайте значение скорости звука c = λν.

10.Сравните полученное значение скорости звука с табличным значением, соответствующем скорости звука в воздухе при температуре воздуха в помещении. Сделайте вывод.

Дополнительное задание:

Определите скорость звука, установив на генераторе другую частоту (в пределах 1000Гц – 3000Гц).

Правила техника безопасности

при выполнении лабораторной работы

 «Определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн»

1.Перед началом работы:

- Внимательно изучить содержание и порядок проведения работы, а также безопасные приёмы её выполнения. 

- Подготовить рабочее место, убрать посторонние предметы. Приборы и оборудование разместить так, чтобы исключить их падение или опрокидывание. 

- Проверить исправность оборудования, приборов, целостность приборов.

2.Во время работы:

- Точно выполнять все указания учителя, без его решения не выполнять самостоятельно никаких работ. 

- Соблюдать осторожность при обращении с приборами, не бросать, не ронять и не ударять их. 

- Следить за исправностью всех креплений в приборах и приспособлениях.

3.По окончании работы:

- Отключить ноутбук от источника тока.

- Привести в порядок рабочее место, сдать учителю приборы, оборудование, материалы.

Результаты определения скорости звука в воздухе

В Таблицах 1 и 2 показаны значения величин, полученных при температуре воздуха 25°С.

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

    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%.  

Лабораторная установка

 для определения скорости звука в воздухе методом стоячих волн (вариант 2)

     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.1,2). Часть установки, включающая элементы 1-7, далее будет называться прибором для измерения скорости звука методом стоячих волн.

Рис.1. Схема установки для определения скорости звука в воздухе (вариант 2)

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

         При создании установки   использован штатив, муфты и лапки из кабинета физики, алюминиевая пластинка, стальная трубка  □10, отрезок от старой рулетки,  вышедшая из строя люминесцентная  лампа, в качестве воронки для заполнения жидкостью трубы  - деталь молокопровода. Полочка из листа железа, фторопластовые кольца.

   Точные размеры изготовленных деталей установки представлены в Приложении 1.

Описание лабораторной работы для учащихся

«Определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн»

Цель работы: определить скорость распространения звука в воздухе методом стоячих волн.

Приборы и материалы:  прибор для измерения скорости звука методом стоячих волн, звуковая колонка, работающая от ноутбука,  ноутбук.

 Описание устройства и действия прибора

                                           Прибор для измерения скорости звука методом стоячих  

                                          волн состоит из стеклянной трубы  1, закреплённой

                                         вертикально на штативе;  эластичной резиновой трубки      

                                          2, соединённой с трубой с помощью кольца  

                                          с   патрубком 3, и пластмассовой воронкой 4; метровой            

                                           линейки 5, которая закреплена вдоль трубы;  полочки 6 для  

                                          установки  звуковой колонки. Перемещением воронки  в вертикальном направлении меняется положение поверхности воды  в трубе.  

Указания к работе:  

1.Включите ноутбук. В браузере в поисковой строке наберите  онлайн-генератор звуковых частот. Перейдите на сайт  ldsound.club.  Установите частоту в пределах 1800-3000Гц, выставьте громкость 30%.  Подключите колонку к ноутбуку.

2.Налейте в воронку 1литр воды.  Поставьте колонку на полочку мембраной вниз. В онлайн-генераторе нажмите «применить», потом - «воспроизвести».

Примечание: для комфортного восприятия звука можно регулировать громкость звучания регулятором громкости колонки.

3. Опустите воронку так, чтобы вода в трубе установилась на уровне 7-12см. Равномерно поднимайте воронку.  Запишите значения координаты х по шкале линейки, соответствующие максимальному уровню звука, это будет координата узла стоячей волны.

4.Двигайте далее  воронку, чтобы  переместить поверхность воды до следующего узла, соответствующего максимальной громкости звука. Запишите значение координаты в таблицу.

5.Продолжайте двигать  воронку  и записывать  координаты  узлов. Результаты измерений и вычислений записывайте в таблицу 2.

Таблица 2

 6.По разности полученных значений определите длину стоячей волны    xn+1 – xn = λ0

7.Вычислите среднее значение λ0ср = (λ01  + λ02 +… λ0n)/ n.

8.Вычислите значение длины звуковой волны  λ=2∙ λ0 

9.Рассчитайте значение скорости звука c = λν.

10.Сравните полученное значение скорости звука с табличным значением, соответствующем скорости звука в воздухе при температуре воздуха в помещении. Сделайте вывод.

Дополнительное задание:

Определите скорость звука, установив на генераторе другую частоту (в пределах 1000Гц – 3000Гц).

Правила техника безопасности

при выполнении лабораторной работы

 «Определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн»

     При выполнении лабораторной работы с использованием сделанных мною установок необходимо соблюдать общие и специальные правила техники безопасности:

1.Перед началом работы:

- Внимательно изучить содержание и порядок проведения работы, а также безопасные приёмы её выполнения. 

- Подготовить рабочее место, убрать посторонние предметы. Приборы и оборудование разместить так, чтобы исключить их падение или опрокидывание. 

- Проверить исправность оборудования, приборов, целостность приборов из стекла.

-  Поставить ноутбук таким образом, чтобы исключить попадание на него воды при наполнении стеклянной трубы через воронку;

2.Во время работы:

- Точно выполнять все указания учителя, без его решения не выполнять самостоятельно никаких работ. 

- Соблюдать осторожность при обращении с приборами из стекла, не бросать, не ронять и не ударять их. 

- Следить за исправностью всех креплений в приборах и приспособлениях.

- Переливать воду не спеша, аккуратно, избегая её разбрызгивания.

3.По окончании работы:

- Отключить ноутбук от источника тока.

- Привести в порядок рабочее место, сдать учителю приборы, оборудование, материалы.

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

    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%.  

Приложение 1

Размеры изготовленных деталей второго варианта установки

для определения скорости звука в воздухе методом стоячих волн

    Дет.№1 Фторопластовое кольцо

                                                                                         на верхнем крае трубы

 Дет.№2 Фторопластовое кольцо  

                                                                                      с патрубком

Дет.4. Алюминиевая полочка для колонки

Дет.4.Ст.труба □10 для крепления полочки на штативе