Інформація для вчителів
Опис
Імовірність знаходження електронів
У цьому експерименті розглядається тема стоячих хвиль і, отже, власних частот. Стоячі хвилі виникають, коли хвилі відбиваються від двох протилежних кінців, причому відстань між ними пропорційна довжині хвилі. Залежно від типу відбиття (фіксований / вільний кінець) потрібні різні відстані. Ці знання застосовуються не тільки в акустиці, а й у квантовій механіці. В акустиці важливо розуміти, як працюють музичні інструменти, а в квантовій механіці це необхідно, наприклад, для моделі потенційної ями.
Додаткова інформація для вчителів (1/2)
попередні знання
Перед проведенням експерименту учні мають знати, що звук поширюється в повітрі зі швидкістю 340 м/с. Вони також мають бути знайомі з відбиттям хвиль.
Принцип
У цьому експерименті учні спостерігають, як на певних частотах у скляній трубці створюються стоячі хвилі. Вони вимірюють положення вузлів і пучностей та обчислюють умови для власних частот порожнистого тіла.
Додаткова інформація для вчителів (2/2)
Мета навчання
Одна з основних характеристик хвилі - це довжина хвилі. Стоячі хвилі можуть виникати в порожнистому тілі. Необхідною умовою для цього є те, що відстань між двома кінцями порожнистого тіла має бути кратною половині довжини хвилі. Частоти, за яких виникають стоячі хвилі в порожнистому тілі, називаються власними частотами цього тіла.
Завдання
Спочатку учні досліджують поширення звуку без порожнистих тіл. Потім вони генерують стоячу хвилю в порожнистому тілі та досліджують умови, за яких вони виникають.
Інструкції з техніки безпеки
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції з безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Інформація для студентів
Мотивація
Стоячі хвилі в конструкції музичних інструментів
Коли звукова хвиля поширюється в повітрі, то вона викликає вібрацію всіх частинок повітря, до яких вона доходить. Якщо звук видається безперервно, то всі частинки перебувають у постійному русі. У цьому експерименті досліджується, як у порожнистому тілі можуть виникати місця, де, незважаючи на безперервне генерування звуку, звуку не чути. Таким чином, коли частинки повітря в деяких місцях перестають коливатися, тобто певною мірою зупиняються, то говорять про стоячу хвилю.
Завдання
2. Створіть стоячу хвилю в порожнистому тілі (скляній трубці).
1. Спостерігайте за поширенням звуку без порожнистого тіла.
3 Дослідіть умови виникнення стоячих хвиль.
Матеріали для проведення експерименту
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт No. | Кількість | 1 | Програмне забезпечення "Measure Acoustics", ліцензія на 1 користувача | 14441-61 | 1 | 2 | Кутовий кронштейн для скляної трубки D = 44 мм, металевий | 13289-16 | 2 | 3 | Мензурка, низька, 100 мл, пластмаса | 36011-01 | 1 | 4 | Скляна трубка, D зовні = 44 мм, L = 340 мм | 13289-20 | 1 | 5 | Рулетка, l=2 м | 09936-00 | 1 |
|---|
Додаткові матеріали
| Позиція | Матеріал | Кількість |
|---|---|---|
| 1 | Мікрофон | 1 |
| 2 | Навушники | 1 |
| 3 | ПК | 1 |
| 4 | Клейка стрічка | 1 |
Підготовка
- Правильно підключіть навушники та мікрофон до комп'ютера. Помістіть скляну трубку на два металеві кронштейни.
- Помістіть склянку на стіл з отвором донизу і прикріпіть один із навушників до склянки смугою клейкої стрічки (висота в середині скляної трубки).
- Відкрийте налаштування звуку на ПК. Відрегулюйте максимальну вихідну гучність і відрегулюйте баланс таким чином, щоб вихід здійснювався тільки через навушники, прикріплені до чашки.
- Покладіть рулетку паралельно скляній трубці. Нульова точка рулетки має бути на одному кінці труби.
Виконання роботи - Частина 1 (1/2)
Частина 1: Поширення звуку без порожнистих тіл
- Спочатку поставте чашку з навушниками поруч зі скляною трубкою. Навушники мають перебувати в нульовій точці шкали. Помістіть мікрофон перед цими навушниками.
- Запустіть програму measure "Акустика".
- Відкрийте експеримент "2.6 Стоячі хвилі".
Допомога 1: Відкрийте огляд експериментів (пункт меню "Файл" → "Відкрити експеримент" або виберіть у рядку меню "Відкрити експеримент"). Виберіть експеримент "2.6 Стоячі хвилі" з папки "2 Фізичні основи: Коливання і хвилі".
Виконання роботи - Частина 1 (2/2)
- Почніть відтворення на діаграмі "Спектр сигналу на аудіовиході (гучномовець або навушники)". Попередньо встановлений звук видається на частоті 470 Гц.
Допомога 2: Виберіть "Пуск" на відповідній діаграмі.
- Спостерігайте за відносною амплітудою в процесі запису мікрофона в міру віддалення мікрофона від навушників уздовж вимірювальної стрічки.
- Змінити частоту звуку один раз на 300 Гц і один раз на 700 Гц.
Допомога 3: Клацніть правою кнопкою миші по "Звук (тон)" попередньо встановленого звуку і виберіть меню "Генератор тону".
- Повторіть процедуру. Значення відносної амплітуди завжди має бути 100%.
Виконання роботи - Частина 2 (1/2)
Частина 2: Поширення звуку в порожнистих тілах
- Тепер помістіть навушники в середину отвору скляної трубки в нульову точку шкали.
- Зніміть мікрофон із тримача і просуньте його через вільний отвір скляної трубки до навушників.
Виконання роботи - Частина 2 (2/2)
Виконання роботи - Частина 2 (1/2)
- Встановіть частоту звуку назад на 470 Гц і відносну амплітуду на 100% (див. Пояснення 3) і почніть відтворення (див. Пояснення 2).
- Спостерігайте за відносною амплітудою під час запису мікрофона, повільно простягаючи мікрофон уздовж вимірювальної стрічки до іншого кінця труби.
- Змініть частоту тону один раз на 300 Гц і один раз на 700 Гц (див. Посібник 3) і повторіть процес.
- Значення відносної амплітуди завжди має бути 100%.
Виконання роботи - Частина 3
Частина 3: Пучковості та вузли стоячої хвилі
- Для частоти звуку 470 Гц відзначте, у яких точках труби відносна амплітуда в мікрофона максимальна (пучковість) і мінімальна (вузол).
- Повторіть цей вимір для наступних цілих кратних чисел цієї частоти: 940 Гц, 1410 Гц, 1880 Гц.
Протокол
Завдання 1
Заповніть прогалини в тексті За межами труби відносна амплітуда стає ____ зі збільшенням відстані від мікрофона. З іншого боку, у трубі є місця біля мікрофона, де амплітуда ____, і місця подалі від мікрофона, де вона ____. Місця з максимальною амплітудою називаються пучностями, місця з нульовою амплітудою - вузлами.
Завдання 2
Вкажіть положення пучностей і вузлів для різних частот.
470 Гц
940 Гц
1410 Гц
1880 Гц
Вузол 1 Пучковість 1 Вузол 2
1 470 лв.
Кнт 1 470
Кнт 2 470
Пучковість 2 Вузол 3
1 940 лв.
Бч 2 940
Кнт 1 940
Кнт 2 940
Knt 3 940
Кнт 1 1410
Бч 1 1410
Кнт 2 1410
Кнт 3 1410
Бч 2 1410
1 1880 рік
1880 Кнт 2
1880 Кнт 3
1880 Кнт 1
Бч 2 1880
Бч 3 1410
Пучковість 3 Вузол 4
Кнт 4 1410
Пучковість 4 Вузол 5
Бч 3 1880
1880 Кнт 4
Бч 4 1880
1880 Кнт 5
Завдання 3
Питання
Питання
Питання
Завдання 4
Скільки коливань проходять різні звукові хвилі, перш ніж відбита хвиля знову досягне навушників? 940 Гц: ____ коливання. 1410 Гц: ____ коливання. 1880 Гц: ____ коливання.
Відстань , яку хвиля проходить за повний період коливань, називається довжиною хвилі. Розрахуйте відповідні довжини хвиль для чотирьох частот, на яких Ви досліджували стоячі хвилі.
Лямбда 940
Лямбда 1410
Лямбда 1880
940 Гц 1410 Гц 1880 Гц
Довжина хвилі, см
Завдання 5
За яких умов довжини хвилі виникають стоячі хвилі в порожнистому тілі (довжина L)? Що ж тоді відноситься до частоти?
Завдання на схемі: розташуйте підписи по місцях. Підписи: $\lambda$; $L$; $k$; $2$. Місця на схемі: $\lambda$; L; 2; $k$.
$=$
Завдання на схемі: розташуйте підписи по місцях. Підписи: $heta$; $L$; $k$; $2$. Місця на схемі: k; тета; 2; L.
$f =$
Завдання 6
Питання
Питання