Изучение колебаний камертона, страница 29, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 7. Звук. Параграф 69. Исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 29.

Условие.

Практические работы-исследования

Изучаем звуковые волны

ИЗУЧЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ КАМЕРТОНА С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОГРАФА

Простые гармонические колебания, которые вы изучали при помощи математического и пружинного маятников, можно наблюдать и в акустике.

Цель работы

Исследовать колебания камертона с помощью электронного осциллографа.

помощник

• В качестве оборудования вам понадобятся камертон, резиновый молоточек, микрофон и осциллограф.

• Осциллограф является измерительным прибором, используемым при настройке и ремонте радиоаппаратуры, а также в научных исследованиях. Особенно удобен осциллограф для исследования быстропеременных периодических процессов, например электрических и механических колебаний.

• В данной работе используется микрофон от трубы для изучения волновых процессов. При помощи микрофона звуковые колебания, идущие от камертона, преобразуются в электрические. При этом амплитуда сигнала, поступающего с микрофона на осциллограф, пропорциональна амплитуде колебаний ветвей камертона.

• Подключите микрофон к осциллографу.

• Ударом молоточка возбудите колебания ветвей камертона. Наблюдайте на экране осциллографа осциллограмму звуковых колебаний.

• Перемещая микрофон вблизи звучащего камертона, опытным путём определите такое его положение, при котором амплитуда сигнала на экране осциллографа будет наибольшей. Сделайте вывод.

• Пронаблюдайте зависимость амплитуды сигнала, а также зависимость времени затухания колебаний от силы удара молоточка по ветви камертона. Сделайте вывод.

• Зарисуйте характерный вид изображений на экране осциллографа (осциллограммы).

• По шкале осциллографа определите период звуковых колебаний (это расстояние между двумя соседними максимумами или минимумами осциллограммы). Временной масштаб (горизонтальная шкала) определите на экране осциллографа.

• Зная период колебаний, найдите их частоту.

Решение.

Перемещая микрофон вблизи звучащего камертона, опытным путем определите такое его положение, при котором амплитуда сигнала на экране осциллографа будет наибольшей. Сделайте вывод.

При перемещении микрофона вблизи звучащего камертона можно заметить, что амплитуда сигнала на экране осциллографа изменяется. Наибольшая амплитуда будет наблюдаться в том случае, когда мембрана микрофона находится максимально близко к одной из колеблющихся ветвей камертона и ориентирована перпендикулярно направлению ее колебаний. Это связано с тем, что плотность энергии звуковой волны (и, следовательно, ее амплитуда) максимальна в непосредственной близости от источника звука.

Вывод: Амплитуда звуковых колебаний, регистрируемых микрофоном, напрямую зависит от расстояния до источника звука. Чем ближе микрофон к колеблющейся ветви камертона, тем больше амплитуда сигнала на осциллографе.

Ответ: Наибольшая амплитуда сигнала будет при минимальном расстоянии между микрофоном и ветвью камертона.

Пронаблюдайте зависимость амплитуды сигнала, а также зависимость времени затухания колебаний от силы удара молоточка по ветви камертона. Сделайте вывод.

При наблюдении можно установить следующие зависимости:

1. Зависимость амплитуды от силы удара: Чем сильнее удар молоточка по ветви камертона, тем большая начальная энергия сообщается системе. Это приводит к колебаниям с большей начальной амплитудой. На экране осциллографа это отразится в виде синусоиды с большим начальным вертикальным отклонением.

2. Зависимость времени затухания от силы удара: При более сильном ударе колебания имеют большую начальную энергию и амплитуду. Хотя процесс затухания (потеря энергии) происходит постоянно, для того чтобы амплитуда уменьшилась до нуля (или до уровня шумов) с большего начального значения, требуется больше времени. Таким образом, время затухания колебаний увеличивается с увеличением силы удара.

Вывод: Начальная амплитуда и общее время звучания (затухания) камертона прямо пропорциональны силе первоначального удара, то есть энергии, сообщенной камертону.

Ответ: Чем сильнее удар, тем больше начальная амплитуда сигнала и тем дольше время затухания колебаний.

Зарисуйте характерный вид изображений на экране осциллографа (осциллограммы).

На экране осциллографа наблюдается график зависимости напряжения (пропорционального смещению частиц воздуха) от времени. Для камертона, который является источником чистого тона, этот график представляет собой синусоиду. Поскольку колебания в реальной среде (воздухе) всегда затухают из-за потерь энергии, то наблюдаемая картина будет представлять собой затухающие гармонические колебания. Это синусоида, амплитуда которой постепенно уменьшается со временем, стремясь к нулю.

Ответ: Характерный вид осциллограммы – синусоида, амплитуда которой со временем уменьшается (затухающие колебания).

По шкале осциллографа определите период звуковых колебаний (это расстояние между двумя соседними максимумами или минимумами осциллограммы). Временной масштаб (горизонтальная шкала) определите на экране осциллографа.

Знавая период колебаний, найдите их частоту.

Дано:

Исходя из изображения на экране осциллографа, можно определить следующие параметры:
Число горизонтальных делений, занимаемых одним полным колебанием (периодом), $x = 4.4$ дел.
Временной масштаб (чувствительность по горизонтали), определенный по стандартным настройкам осциллографа для таких частот (на самом приборе это значение обычно отображается на экране или задается ручкой «Время/деление»), примем за $S_t = 0.5$ мс/дел.

$S_t = 0.5 \frac{\text{мс}}{\text{дел}} = 0.5 \cdot 10^{-3} \frac{\text{с}}{\text{дел}}$

Найти:

Период колебаний, $\text{T}$ - ?
Частоту колебаний, $\nu$ - ?

Решение:

1. Период колебаний $\text{T}$ можно найти, умножив число делений на шкале, которое занимает одно полное колебание, на временной масштаб (цену одного деления по горизонтали):
$T = x \cdot S_t$
$T = 4.4 \text{ дел} \cdot 0.5 \cdot 10^{-3} \frac{\text{с}}{\text{дел}} = 2.2 \cdot 10^{-3} \text{ с} = 2.2 \text{ мс}$

2. Частота колебаний $\nu$ является величиной, обратной периоду:
$\nu = \frac{1}{T}$
$\nu = \frac{1}{2.2 \cdot 10^{-3} \text{ с}} \approx 454.54 \text{ Гц}$

Округлим результат до целого значения.

Ответ: Период звуковых колебаний $T = 2.2 \text{ мс}$. Частота колебаний $\nu \approx 455 \text{ Гц}$.