Идея опыта основана на явлении акустического резонанса. Он возникает в тот момент, когда в резонаторе, например, в музыкальном инструменте, возникает стоячая волна. Такие резонансы характеризуются набором частот, чаще всего эквидистантным. Низшая из них определяет ноту музыкального инструмента, в то время как остальные гармоники формируют его характерный тембр.
Если резонатор представляет собой трубу с открытыми концами, то волна давления имеет на них узлы. Это означает, что на длине трубы всегда укладывается целое число полудлин волн. Измеряя частоту всех резонансов и зная размер резонатора, можно сделать вывод о скорости звука в нем.
Использованное в работе оборудование: телескопическая труба от пылесоса, линейка и смартфон
Martín Monteiro et al. / Physics Education, 2022
Чтобы измерять частоты, авторы предлагают использовать смартфон с установленным на нем приложением, позволяющим анализировать спектр звука, попадающего на микрофон, с помощью быстрого преобразования Фурье. Существует множество бесплатных приложений, подходящих для этого. Физики остановили свой выбор на Advanced Spectrum. В качестве резонатора они использовали телескопическую трубу пылесоса. Возможность изменения длины резонатора важна, поскольку измерения одной и той же величины при различных условиях эксперимента всегда дают более точный результат.
Авторы возбуждали в трубе резонанс с помощью резкого удара ладонью с одного конца и измеряли спектр с другого. Затем физики строили зависимость частоты основного тона от обратной длины трубы. Теория предписывает ей линейное нарастание с тангенсом угла наклона, равным удвоенному значению скорости звука. Извлекая это значение из аппроксимации, авторы получили значение 343 ± 3 метра в секунду, что хорошо сходится с известным значением для воздуха при нормальных условиях.
Зависимость частоты звука от обратной длины трубки. Красным цветом обозначена аппроксимации линейной функцией, из которой авторы извлекали скорость звука.
Martín Monteiro et al. / Physics Education, 2022
В общем случае скорость звука может зависеть от частоты. Эффект акустической дисперсии более выражен в твердых телах, и его тоже можно измерить с помощью смартфона. Звук при этом будет напоминать выстрел бластера из «Звездных войн».
Комментариев нет:
Отправить комментарий