Вимірювання довжини світлової хвилі і визначення швидкості звуку у повітрі
Мета роботи:
визначити швидкість поширення звуку у повітрі і довжину звукової хвилі, розрахувати похибки.
Обладнання:
2 штативи, джерело звуку, 2 мікрофонні датчики DT008, рулетка, АЦП NOVA LINK, ПК.
Програмне забезпечення:
MultiLab.
Теоретичні відомості
Швидкість звуку - швидкість поширення пружних хвиль у середовищі: як подовжніх (у газах, рідинах або твердих тілах), так і поперечних, хвилях зсуву (у твердих тілах). Визначається пружністю і густиною середовища: як правило, в газах швидкість звуку менша, ніж в рідинах, а в рідинах – менша, ніж в твердих тілах. Також в газах швидкість звуку залежить від температури цієї речовини, в монокристалах – від напряму поширення хвилі. Швидкість звуку пов'язана з довжиною хвилі і частотою рівнянням, що описує хвилю: v=, де – частота звука, – довжина звукової хвилі. Звідки довжина звукової хвилі може бути визначена відповідно до формули:
Експериментальна установка
Підготовка експерименту
1. Встановіть на столі 2 штативи, закріпіть на них мікрофонні датчики. Відстань між штативами треба вибирати в межах 2-3 м.
2. Встановіть на відстані джерело звуку з фіксованою частотою (камертон).
3. З'єднайте АЦП з USB входом ПК.
4. З'єднайте мікрофонні датчики з АЦП, задіявши перший і другий вхід.
5. Переконайтеся. Що датчик налаштований правильно, для цього на короткий проміжок часу натисніть кнопку Пуск , а потім Стоп . Графіки повинні реєструвати невеликий фон середовища.
2. Відкрийте вкладку Реєстратор - Налаштування реєстратора, і переконаєтеся, що датчики розпізнані і підключені до входів.
3. У вікні налаштувань датчика, що залишилося, натисніть Далі.
4. Виберіть в списку частоту вимірів – 5000 вимірів за секунду.
5. Натисніть Далі.
6. Виберіть час вимірювання – 8 секунд.
7. Натисніть Завершити.
Проведення експерименту
1. Виміряйте відстань між датчиками l рулеткою і занесіть до таблиці.
2. Натисніть кнопку Пуск .
3. Вдарте по джерелу звуку молоточком.
4. Дочекайтеся завершення запису даних і збережіть їх.
Аналіз даних експерименту
1. Установіть Перший курсор на графік одного з мікрофонів. Оберіть Майстер аналізу .
2. Оберіть вкладку Перетворення – Перетворення Фур’є. Натисніть Ок.
3. Установіть Перший курсор на пік отриманого графіка частоти. Прочитайте внизу графіка значення частоти ν і запишіть його в таблицю.
4. Закрийте графіки аналізу частоти і відкрийте графіки запису звуку мікрофонними датчиками. Зверніть увагу на те, щоб горизонтальна вісь була віссю часу.
5. Збільште ту частину графіків, яка відповідає надходженню звукової хвилі.
Приклад проведення аналізу
Аналіз даних експерименту
6. Установіть Перший курсор спочатку на один графік, прочитайте значення часу приходу звуку t1 і занесіть його до таблиці.
7. Переведіть Перший курсор на другий графік і прочитайте значення часу приходу звуку t2 і занесіть його до таблиці.
8. Розрахуйте швидкість поширення звуку у повітрі .
9. Розрахуйте відносну похибку обчислень, враховуючи точність вимірювання відстані і часу. Занесіть результат до таблиці.
10. Розрахуйте відносну похибку вимірювань Δv. Занесіть значення до таблиці.
11. Запишіть у таблицю значення швидкості звуку v з урахуванням похибки.
12. Розрахуйте довжину звукової хвилі λ і запишіть її до таблиці, враховуючи похибку вимірювання частоти і швидкості поширення звуку.
13. Проаналізуйте похибки і зробіть висновки відповідно до мети роботи.