Зертханалық жұмыс №2 «Ауадағы дыбыстың таралу жылдамдығын анықтау». Физика, 11 сынып, қосымша материал.

Зертханалық жұмыс № 2

Ауадағы дыбыстың тарлуы жылдамдығын анықтау

Жұмыс мақсаты: резонанс құбылысы арқылы ауадағы дыбыстың таралу жылдамдығын анықтауды үйрену.

Құралдар мен жабдықтар: суы бар резервуармен резеңке түтік арқылы жалғастырылған шыны цилиндр, камертон, балғашық.

Қысқаша теория

Толқынның (дыбыс) таралу жылдамдығы түрінде фазаның жылдамдығы, яғни берілген тербеліс фазасының таралу жылдамдығы, мысалы, нүктенің максималды ығысуы түсініледі.

Толқындық процесстің динамикасын зерттеу арқылы әртүрлі толқындардың фазалық жылдамдығын анықтаудың өрнегін алуға мүмкіндік береді.

Фазалық жылдамдық пен толқын ұзындығы қарапайым қатынаспен байланысқан:

мұндағы – толқын ұзындығы, – период.

Осы теңдеуден толқынның таралу жылдамдығын анықтауға болады. Ол үшін толқынның ұызындығы мен тербеліс периодын (немесе жиілігін) өлшеу жеткілікті.

Амплитудалары бірдей екі қарама-қарсы толқындарды беттсетіргенде сипаттамалық нүктелері – түйіндері мен ығысу шоқтары бар тұрғын толқындар пайда болады.

Екі теңдеудің оң және сол жақтарын қосу арқылы тұрғын толқынның теңдеуін алуға болады:

ξ1 = A cos (ωt − kx) ;

ξ2 = A cos (ωt + kx) ,

мұндағы A — тербеліс амплитудасы; ω – циклдік жиілік: ω = 2πν; k – толқындық сан: , (ωt − kx) – фаза, ξ1 — түзудің ығысу нүктелері; ξ2 – кедергіден шағылған немесе қарсы толқынның ығысуы. Бұдан келесі теңдеу шығады:

Тұрғын толқындардағы нүктелердің ығысуы осылайша жүзеге асады.

Кейбір нүктелерде тұрғын толқындардың амплитудасы қосарланған толқындардың амплитудаларының қосындысына тең болады. Мұндай нүстелер шоқтар (пучность) деп аталады. Олардың координаталарын келесі шарттан анықтауға болады:

Бұл нүктелерде A_Т = 2A. Шоқтардың координатасы:

Түйіндерде қорытқы тербелістің амплитудасы әрқашан нөлге тең болады.

Түйіндердің пайда болу шарты:

осыдан түйін (узел) үшін координатаны анықтауға болады:

 Бұл ерекшеліктер тәжірибе негізінде толқынның ұзындығын, содан кейін оның таралу жылдамдығын анықтауға мүмкіндік береді. Ол үшін тұрғын толқындардың шоқтарын көрінетіндей немесе естілетіндей етіп қою қажет.

 Тұрғын толқындар әдетте тура және шағылған толқындардың интерференциясы кезінде пайда болады. Шағылу шегінде орталардың тығыздықтарының қатынасына тәуелді түйін немесе шоқ пайда болуы мүмкін.

 Осы жұмыста қарастырылатын тұрғын толқындардың пайда болуын зерттейік.

 Бір жағы жабық түтік берілген болсын. Егер оның ашық шетіне дыбыс көзін жақындатсақ, түтік ішіндегі ауа бағанында жиілігі дыбыс көзіндегідей тербеліс пайда болады.

 Еріксіз тербелістердің жиілігі түтік ішіндегі тербеліс жиілігмен сәйкес келген кезде әрқашан резонанс құбылысы байқалады.

 Ауа түтігінің өзіндік тербеліс жиілігі түтік ұзындығы ℓ және дыбыстың ауадағы таралу жылдамдығы υ арқылы анықталады.

 Теориялық есептеулер көрсеткендей, түтіктің радиусы оның ұзындығымен салыстырғанда аз болған кезде ауа бағанының өзіндік жиіліктері ν_n келесі формула бойынша анықталады:

 Пайда болған тұрғын толқындарды сызбада суреттегідей көрсетуге болады:

 Егер дыбыс көзінің тербеліс жиілігі тұрақты болса, онда резонанс құбылысы түтіктің ұзындығын баяу өзгерту кезінде, толқынның төрттен бір тақ сандары кезінде байқалады:

 Түтіктің ашық шетінде әрқашан шоқ пайда болады.

 Бұл теңдеуден резонанс құбылысының кезектесуі ауа бағанының ең аз толқын айырымы толқын ұзындығының жартысына сәйкес екені байқалады. Бұл қасиетін дыбыстың ауадағы толқын ұзындығы мен таралу жылдамдығын анықтау үшін қолдануға болады.