Інформація для вчителів
Опис
Корпус інструмента як резонуюче тіло
Резонанс виникає, коли коливальні системи збуджуються на своїй власній частоті. Це може відбуватися в механічних генераторах, а також в акустиці та інших галузях. У цьому експерименті учні вивчають акустичний резонанс і пов'язують його з уже засвоєними знаннями про стоячі хвилі.
Додаткова інформація для вчителів (1/2)
попередні знання
Перед початком експерименту учні мають уже вивчити стоячі хвилі та знати, якими є власні частоти тіла.
Принцип
У цьому експерименті учні визначають резонансні частоти відкритої скляної трубки та рамного барабана. Вони також записують резонансну криву для рамного барабана, використовуючи програмне забезпечення measure Акустика (measure Acoustics).
Додаткова інформація для вчителів (2/2)
Мета навчання
Коли пустотілі тіла та інші коливальні системи збуджуються на одній з своїх власних частот, вони підсилюють коливання. Така поведінка називається резонансом. В акустиці це виражається в тому, що у випадку резонансу амплітуда вимірюваного звуку значно збільшується.
Завдання
Учні досліджують скляну трубку і рамний барабан на резонанс, піддаючи їх впливу різних частот за допомогою програмного забезпечення measure Акустика (measure Acoustics). Вони співвідносять резонансні частоти скляної трубки з її власними частотами і визначають власні частоти рамного барабана за допомогою амплітудно-частотної діаграми.
Інструкції з техніки безпеки
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Додаткова інформація
Гучномовці та мікрофони мають характеристики, які можуть впливати на результат. З одного боку, обидва мають специфічну частотну характеристику, а це означає, що гучномовець не може відтворювати звуки всіх частот або відтворювати їх з однаковою гучністю. Мікрофон також не фіксує всі частоти з однаковою точністю. Крім того, гучномовці мають резонансні частоти, деякі з яких дуже помітні. Ви можете дізнатися, в якому діапазоні вони лежать, розмістивши мікрофон перед гучномовцем, змінюючи частоту звуку з постійною амплітудою між 200 Гц і 2000 Гц і спостерігаючи за відносною амплітудою запису мікрофона протягом цього часу.
Інформація для учнів
Мотивація
Музичні інструменти як резонуючі тіла для підсилення звуку
Для камертонів існують резонансні коробки, які можуть значно збільшити гучність їхнього звуку. Резонансна коробка - це порожнистий корпус певних розмірів, зазвичай виготовлений з дерева або металу. Резонансні деки або корпуси є складовою частиною багатьох музичних інструментів. Розміри і форма резонансної коробки також відіграють важливу роль при конструюванні акустичних систем, зокрема гучномовців. Резонанс - це коли тіло, що вібрує, збуджується з власною частотою. Результатом цього є посилення коливань.
Завдання
Дослідіть, на яких частотах скляна трубка і рамний барабан досягають стану резонансу.
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість | |
|---|---|---|---|---|
| 1 |
| 14441-61 | 1 | |
| 2 |
| 13289-16 | 2 | |
| 3 |
| 13289-20 | 1 | |
| 4 |
| 13289-11 | 1 |
Додаткові матеріали
| Позиція | Матеріал | Кількість |
|---|---|---|
| 1 | Мікрофон | 1 |
| 2 | Гучномовець | 1 |
| 3 | ПК | 1 |
Підготовка - частина 1
- Правильно під'єднайте динаміки та мікрофон до комп'ютера.
- Помістіть скляну трубку на два металеві кронштейни.
- Відкрийте налаштування звуку на ПК. Встановіть максимальну гучність виходу і відрегулюйте баланс так, щоб вихід здійснювався тільки через один із двох динаміків.
- Помістіть мікрофон на відстані 5 см перед одним отвором скляної трубки.
- Помістіть гучномовець на відстані 5 см від іншого отвору скляної трубки.
Виконання роботи (1/2)
- Запустіть програму measure Акустика (measure Acoustics) і відкрийте експеримент "2.7 Резонанс".
Підказка 1: Відкрийте огляд експериментів (пункт меню "Файл" → "Відкрити експеримент" або виберіть у рядку меню "Відкрити експеримент"). Виберіть експеримент "2.7 Резонанс" з папки "2 Базова фізика: Коливання і хвилі".
- Почніть через гучномовець відтворення заданого звуку з частотою 100 Гц.
Підказка 2: На діаграмі "Спектр сигналу на аудіовиході (гучномовець або навушники)" почніть відтворення з "Почати".
- Переконайтеся, що відносна амплітуда звуку, що генерується, завжди 100%.
Підказка 3: Активуйте кнопку "Постійна амплітуда".
Виконання роботи (2/2)
- Тепер змініть частоту тону в діапазоні від 200 до 2000 Гц.
Підказка 4: Повільно перетягніть мишкою символ "Звук" на область діаграми.
- Протягом цього часу спостерігайте відносну амплітуду запису мікрофона.
- Зверніть увагу, на яких частотах відносна амплітуда запису мікрофона набуває підвищених значень.
Підготовка - частина 2
Барабан перед гучномовцем, мікрофон по центру перед мембраною барабана
- Тепер помістіть динамік вертикально.
- Поставте каркасний барабан на раму безпосередньо перед динаміком. Якщо необхідно, трохи притуліть його до гучномовця. Порожниста сторона барабана повинна бути спрямована до гучномовця.
- Розташуйте мікрофон так, щоб головка мікрофона знаходилася приблизно в 2 см перед центром мембрани барабана.
Виконання роботи
- Встановіть відносну амплітуду тонального сигналу в генераторі звуку на 100% і частоту сигналу на 200 Гц.
Підказка 5: Клацніть правою кнопкою миші на "Звук" попередньо встановленого звуку і виберіть меню "Генератор звуку" .
- Відтворіть звук на частоті 200 Гц (див. підказка 2). Відрегулюйте гучність динаміка таким чином, щоб записана відносна амплітуда становила приблизно 2-3%.
- Тепер виміряйте відносну амплітуду сигналу мікрофона залежно від частоти відтворюваного звуку. Почніть з одного тону з частотою 100 Гц, а потім збільшуйте частоту з кроком 20 Гц до 500 Гц з постійною амплітудою (див. підказку 4 і, можливо, 3).
- Якщо є достатньо часу, запишіть додаткові точки вимірювання в діапазоні 250-350 Гц.
Протокол
Завдання 1
Зверніть увагу, для яких частот відносна амплітуда запису мікрофона передбачає підвищені значення (резонансні частоти скляної трубки).
Частота в Гц
Частота рез 1
Частота рез 2
Частота рез 3
Частота рез 4
Частота рез 5
Зверніть увагу на відносну амплітуду сигналу мікрофона для частот від 100 Гц до 500 Гц.
відносна амплітуда у %
100
200
300
400
500
Завдання 2
Завдання на схемі: розташуйте підписи по місцях. Підписи: $$ heta$$; $$L$$; $$k$$; $$2$$. Місця на схемі: k; тета; 2; L.
Розрахуйте власні частоти скляної трубки завдовжки 34 см.
.
.
.
.
.
Завдання 3
Питання