Měření rychlosti zvuku vzorová úloha (SŠ) 1 Teoretický úvod: Zvuk je mechanické vlnění s frekvencí v intervalu od 16 Hz do 16 000 Hz. Jedná se o systémem zhuštění a zředění částic vzduchu. Zvuková vlna vzniká díky kmitání zdroje zvuku jako podélná postupná vlna pružného prostředí v oboru slyšitelných frekvencí. Zvuková vlna je mechanická tedy aby se mohla šířit, potřebuje nosné prostředí (vzduch, voda, ). Vlastnosti zvukové vlny a hlavně její rychlost jsou tedy velmi závislé na druhu prostředí, ve kterém se šíří. Rozdíl činí i teplota či vlhkost vzduchu. Rychlost je fyzikální vektorová veličina, protože je důležitá nejen její velikost, ale i její směr. Jedná se o odvozenou fyzikální veličinu, tedy souvisí s několika základními fyzikálními veličinami. Konkrétně s dráhou a časem. Matematické vyjádření: 2 Zadání 1) Změřte teplotu vzduchu v místnosti. Na internetu najděte rychlost zvuku při různých teplotách vzduchu. 2) Nastavte vhodnou vzdálenost mezi mikrofony a určete průměrnou vzdálenost mezi mikrofony. 3) Vyberte si vhodný zdroj zvuku, je třeba mít krátký hlasitý zvuk. 4) Odměřte čas, za který zvuk urazí průměrnou vzdálenost mezi mikrofony. 5) Vypočítejte průměrnou rychlost zvuku.
3 Postup práce 1. úkol: Použijte libovolný teploměr. 2. úkol: Nastavte vhodnou vzdálenost mezi mikrofony a alespoň desetkrát ji změřte. Hodnoty zaneste do tabulky a určete aritmetický průměr. Takto získáte průměrnou vzdálenost mezi mikrofony. 3. úkol: Vyberte si vhodný zdroj zvuku, je třeba mít krátký hlasitý zvuk. Vyzkoušejte různé možnosti a vy systému ISES sledujte, jestli je nástupní hrana signálu dostatečně strmá. Vyberte takový zdroj zvuku, který má nástupní hranu co nejostřejší. 4. úkol: Spusťte měření (musíte být potichu, aby Vám trigger nesepnul dřív, než chcete) k jednomu mikrofonu přiložte zdroj zvuku a zvuk vydejte. Obrázek 1: konfigurace měření; zdroj: autor
Nastavení měření musí mít vysokou vzorkovací frekvenci a velmi krátký časový úsek. Toto měření nastavíme bez opakování. A start měření nastavíme na TRIGGER. Nastavení TRIGGERu: Obrázek 2: Nastavení Trigger; zdroj: autor Další co je třeba nastavit, aby oba výstupy z mikrofonů byly v jednom panelu. V nastavení měření klikneme na Zobrazení: Obrázek 3: Nastavení panelu; zdroj: autor Klineme na Panel č.1 a v levé části zaškrtneme oba vstupy A1 a B1. Panel č.2 Vyjmeme.
Pomocí systému ISES odměřte časový rozdíl mezi jednotlivými pulsy zaznamenaných na mikrofonech. Opět ho změřte alespoň desetkrát a určete průměrný časový rozdíl. Získáme dvě měření z obou mikrofonů. Zaměříme se na první signál, tedy začátek zvuku. Žlutý signál je blíž ke zdroji a zelený signál dál od zdroje. Mezi nimi je časový rozdíl. Pokud odměříme tento časový rozdíl, získáme čas, který potřebuje zvuk, aby urazil naměřenou vzdálenost. Nejdříve potřebujeme spustit boční okno s naměřenými daty. V záložce Zobrazení spustíme Zobrazení dat. Pro odměření použijeme funkci odečet rozdílu. 5. úkol: Dosaďte do vzorce pro průměrnou rychlost a vypočítejte tak rychlost zvuku. 4 Záznam výsledků: 1. úkol: t = 21 C v -20 = 319 m/s v -10 = 325 m/s v 0 = 331 m/s v 10 = 337 m/s v 20 = 343 m/s v 30 = 349 m/s
2. úkol: Nastavte vhodnou vzdálenost mezi mikrofony a alespoň desetkrát ji změřte. Hodnoty zaneste do tabulky a určete aritmetický průměr. Takto Obrázek 4: Měření vzdálenosti mezi mikrofony; zdroj: autor Tabulka 1: Hodnoty měření úkol 1; zdroj autor Vzdálenost [ ] 50,2 50,2 50,1 49,9 49,8 50,0 49,8 50,1 49,9 50,0 50,0.. [cm] = 0,500..[m] 3. úkol:
Náš zdroj zvuku je mlasknutí... Vhodné je mlasknutí pokud nemáte k dispozici zdroj krátkého zvukového impulsu. Může být i klepnutí kovu o kov Zakreslete, co jste změřili na počítači: Obrázek 5: Screen měření; zdroj: autor 4. úkol: Pomocí systému ISES odměřte časový rozdíl mezi jednotlivými pulsy zaznamenaných na mikrofonech. Opět ho změřte alespoň desetkrát a určete průměrný časový rozdíl.
Obrázek 6: Screen obrazovky konkrétního měření; zdroj: autor Získáme dvě měření z obou mikrofonů. Zaměříme se na první signál, tedy začátek zvuku. Žlutý signál je blíž ke zdroji a zelený signál dál od zdroje. Mezi nimi je časový rozdíl. Pokud odměříme tento časový rozdíl, získáme čas, který potřebuje zvuk, aby urazil naměřenou vzdálenost. Nejdříve potřebujeme spustit boční okno s naměřenými daty. V záložce Zobrazení spustíme Zobrazení dat. Pro odměření použijeme funkci odečet rozdílu. Obrázek 7: Odečet rozdílu času; zdroj: autor
Tabulka 2: časový údaj Časový rozdíl [ ] 0,00139 0,00151 0,00148 0,00144 0,00140 0,00138 0,00136 0,00144 0,00133 0,00140 0,001413.. [s] 5. úkol: 354.. [m/s] = 1274.. [km/h] 5 Závěr Rychlost zvuku ve vzduchu 6 Kontrolní otázky 1. Rychlost zvuku ve vzduchu je přibližně: 2. Zvuk se nešíří: 3. Slyšitelný zvuk je ve frekvenčním rozsahu: 4. Rychlost zvuku ve vodě je: 5. Zvuk se šíří z hlasivek jako: 7 Použitá a doporučená literatura: [1] LEPIL, O. 2003. Fyzika pro střední školy I. Havlíčkův Brod: Prometheus. Dotisk 4. 266. 80-7196-184-1
[2] BEDNAŘÍK, M. 2009. Fyzika pro gymnázia Mechanika. Havlíčkův Brod: Prometheus. 4. Vydání.288. 80-7196-184-1 [3] MIKULČÁK, J. 1987. Matematické, fyzikální a chemické tabulky. Praha: Státní pedagogické nakladatelství. 15. vydání. 14-472-87 8 Podpora pro samostudium: http://cs.wikipedia.org/wiki/zvuk http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/152-zvukove-vlneni http://www.zslado.cz/vyuka_fyzika/e_kurz/9/akustika/akustikavykl.htm