Исследование возникновения звука при изменении давления
Скачать:
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Введение Звук - физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти колебания, рассматриваемые по отношению к тому, как они воспринимаются органами чувств животных и человека. В учебной и популярной литературе очень сжато говорится о том, что некоторые процессы в природе, например, распространение звука в газе можно с достаточной степенью приближения описывать адиабатическим процессом и выявлять их закономерности.
Актуальность Я считаю, что исследований посвященных изучению возникновения звука при резком изменении давления, например при адиабатном процессе, недостаточно. Поэтому считаю свой исследовательский проект актуальным.
Цель работы: исследовать возникновение звука при резком изменении давления газа; выяснить является ли адиабатный процесс причиной возникновения звука. Задачи: 1. Изучение основных терминов и определений, связанных со звуковыми волнами и адиабатным процессом. 2. Изучить примеры возникновения звука, когда механические колебания не играют главную роль. 3. Провести экспериментальную работу по исследованию возникновения звука при резком изменении давления. 4. По результатам эксперимента сделать вывод о причине возникновения звука.
Методы исследования: Сбор информации, анализ, обобщение, изучение теоретического материала, проведение экспериментальной работы. В работе рассматриваются основные теоретические сведения из области звуковых волн, адиабатных процессов и приведены результаты экспериментальной работы.
Примеры, когда колебания твердых тел не играют главную роль при возникновении звука: Резко произносим букву «Б» - «БЭ!» При резком торможении бумажной хлопушки - «БУХ!» Щёлканье жевательной резинкой - «БУМ!» Открываешь шампанское - «БУМ!» Аплодисменты.
Еще примеры... Выстрел из огнестрельного оружия - «ПУХ!» Лопающийся воздушный шарик – «ПУХ!» Лопающиеся колёса автомобиля - «БАХ!» Парашют в момент раскрытия – «ПУХ!» Выстрел из пневматической винтовки – «ТУС!»
При резком изменении давления газа совершается работа, теплообмен происходить не успевает. Что общего во всех этих случаях? Гипотеза: возникновение звука можно приближенно рассматривать как адиабатный процесс при отсутствии теплоизолирующей оболочки.
Эксперимент Ход работы: Если поршень резко двинуть вправо и остановить, то воздух, находящийся в непосредственной близости от него, на мгновение сожмется (рис. 1,а). Затем сжатый воздух расширится, толкнув воздух, прилегающий к нему справа, и область сжатия, первоначально возникшая вблизи поршня, будет перемещаться по трубе с постоянной скоростью (рис. 1,б). Эта волна сжатия и есть звуковая волна в газе. Оборудование: трубка, наполненная воздухом; с левого конца в нее вставлен плотно прилегающий к стенкам поршень (рис. 1).
В газах возможен только один тип деформации: сжатие - разрежение. В случае звуковой волны давление изменяется очень быстро и теплота, выделяющаяся при сжатии, не успевает уходить из системы. Таким образом, изменение давления в звуковой волне происходит без теплообмена с окружающими частицами. Такое изменение называется адиабатным .
В момент выстрела пробки мы услышим характерный звук «ПУХ!». Процесс расширения воздуха, в этом случае, можно считать адиабатным. Частоту возникающего звука можно рассчитать. Совпадение результатов можно считать доказательством вины адиабатного процесса в появлении звука в описанных событиях
Обоснование эксперимента Поршень, колеблющийся в трубе, создает стоячие волны с длиной волны L , равной расстоянию между областями наибольшего сжатия. При движении поршня вправо возникает сжатие, а при движении влево давление и плотность будут уменьшаться относительно своих равновесных значений. Возникает не сжатие, а разрежение газа. В этом случае вправо будет распространяться, как показано на рисунке, волна чередующихся сжатий и разрежений. В каждый момент времени кривая распределения давления по длине трубы будет иметь вид синусоиды, и эта синусоида будет двигаться вправо со скоростью звука v. Расстояние вдоль трубы между одинаковыми фазами волны . Это и есть длина волны - λ . Гармонические колебания описываются функцией:
Если в момент вылета пробки возникает звук, то на свободной части трубки L должна уложиться 1/4 длины звуковой волны λ. Так как половина длины волны - это четверть туда и четверть обратно. А половина - потому, что условие возникновения звука - противофазность прямой и отражённой (от пробки) волны. т. е. равно полпериода. Иными словами, на пробке минимум синуса, т. е. 0, а на свободном конце - максимум, т. е. 1. Между нулём и единицей на синусе ровно ЧЕТВЕРТЬ периода. Значит При отражении фаза волны меняется на противоположную. С учетом этого и того, что разность хода 1/2 длины волны, прямая и отраженная волны оказываются вблизи открытого конца трубки в одной фазе и взаимно усиливаются. Другие волны, фаза которых при отражении отлична от 0, поглощаются отражающей стенкой (пробкой); на открытом конце трубки для них не будет выполняться условие максимума.
Зная скорость распространения звука в воздухе ( при t = 20 ° C υ = 340 м/с ) и длину звуковой волны можно по формуле рассчитать частоту появившегося звука . Звук этой частоты можно подобрать сопоставив кривые Флетчера – Мэнсона, полученные путем измерения уровня звукового давления, при котором звук той или иной частоты воспринимается как равногромкий с эталонным тоном частотой 1000 Гц. Эти кривые используются для определения фона - единицы уровня громкости, которая измеряется в децибелах. Эксперимент проводился в кабинете физики во второй половине дня. Звуковой фон для школьного кабинета 70 дБ. С помощью шумомера измерили уровень звукового давления при вылете пробки из трубки. Опыт повторяли в каждой серии по три раза. Сопоставив среднее значение уровня звука при заданном значением фона в кабинете с кривыми Флетчера – Мэнсона определили среднее значение услышанной частоты. Результаты внесли в таблицу. Расчеты:
Среднее значение звука равно 75дБ
кривые Флетчера - Мэнсона
Таблица 1
Вывод : Мы доказали, что звук появляется при резком изменении давления, следовательно причиной возникновения звуковых волн является адиабатный процесс.
Заключение Много ещё интересного имеется в области звука. Нередко мы сталкиваемся в жизни с такими звуковыми явлениями, которым затрудняемся дать правильное объяснение. Честно признаюсь, что я был очень удивлен когда осознал, что причиной возникновения звука является адиабатный процесс. Поэтому хочется научиться объяснять при каких условиях оно может произойти и от каких факторов зависит. Цель, которую мы ставили перед собой, полностью реализована, задачи выполнены. Наша работа используется как методический материал для проведения элективного курса по физике. Работа может быть использована при изучении тем «Звуковые волны», «Адиабатный процесс» в классах профильного изучения физики.
М.И. Блудов. Беседы по физике. Часть 3. Москва «просвещение», 1974; Мигдал А.Б., Васильев Ю.В. Энциклопедический словарь юного физика. Москва «Педагогика», 1984; Я.И.Перельман. Занимательная физика. Москва «Наука», 1986; Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндз М. Фейнмановские лекции по физике. Том 3. Излучение, волны, кванты, Том 4. Кинетика, теплота, звук. Москва, Издательство «Мир», 1977; Л.В.Радушкевич. Курс термодинамики. Издательство «Просвещение». Москва, 1971г. В.А.Касьянов. Физика – 10, Москва «Дрофа», 2003. Список литературы:
СПАСИБО ВСЕМ ЗА ВНИМАНИЕ!
Кто грамотней?
Два петушка
Мост Леонардо
Рисуем гуашью: "Кружка горячего какао у зимнего окна"
Загадка старого пирата или водолазный колокол