Учебно - исследовательская (творческая) работа По теме «Труба Рубенса »

Отдел образования администрации Волгодонского района

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Потаповская средняя общеобразовательная школа .

Номинация Научные искания молодых «Физика и математика»

Учебно - исследовательская (творческая) работа

По теме 

«Труба Рубенса »

Джунусовой  Виктории  Николаевны

10  класса МБОУ: Потаповская СОШ

Руководитель: Скляров Михаил Михайлович,

 учитель физики и информатики.

х. Потапов

2014-2015 уч.год.

Оглавление:

1.     Введение …………………………………………………. 3

2.     Глава I: «Волны» ………………………………………… 4

3.     Глава II: «Стоячие волны» ……………………………….6

4.     Глава III: «Физический эксперимент» ······················· 7

4.1.          Немного истории……………………………………7

4.2.          Описание и результаты эксперимента ……………8

5.     Заключение ……………………………………………….. 11

6.     Литература  ……………………………………………….. 12

Введение

     Звуки окружают нас повсюду.  В природе существует бесконечное множество различных звуков. Каждый из звуков несёт в себе определённую информацию и человек по-разному реагирует на них. Поэтому изучение природы звука – один из важных и занимательных частей физики. При изучении механических волн, в основном, звуковую волны представляли как абстрактную модель.  Нас заинтересовал вопрос наглядного представления звуковой волны. 

Звуковые волны - это колебания частиц воздуха, которые распространяются во все стороны от места возникновения звука.

Теория звука гласит: если какое-либо физическое тело совершает колебательные движения - струна гитары, голосовая связка, упругая пластина из металла - неважно что, оно будет распространять вокруг себя такие же колебания.

Эксперимент: Труба Рубенса – отрезок трубы, перфорированный по всей длине. Один конец подключается к маленькому динамику, а второй — к источнику горючего газа. Труба заполнена горючим газом, так что просачивающийся через отверстия газ горит. Когда динамик включен, в трубе формируются области повышенного и пониженного давления. Там, где благодаря звуковым волнам находится область повышенного давления, через отверстия просачивается больше газа и высота пламени больше.

Цель работы: Доказать существование звуковых волн.

     Решение отображения звуковой волны в реальности мы нашли в опыте немецкого физика-экспериментатора Генриха Рубенса под названием «Труба Рубенса».

Глава I: «Волны»

       Волна — возбуждение среды, распространяющееся в пространстве и времени или в фазовом пространстве с переносом энергии и без переноса массы. Другими словами, волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины — например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры.

       Волны бывают разных видов.

- Если в волне частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, то волна называется поперечной.

 - Если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, то волна называется продольной.

      Как в поперечных, так и в продольных волнах переноса вещества в направлении распространения волны не происходит.

      В процессе распространения частицы среды лишь совершают колебания около положений равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой.  Характерной особенностью механических волн является то, что они распространяются в материальных средах (твердых, жидких или газообразных).  Существуют волны, которые способны распространяться и в пустоте (например, световые волны). Для механических волн обязательно нужна среда, обладающая способностью запасать кинетическую и потенциальную энергию. Следовательно, среда должна обладать инертными и упругими свойствами. В реальных средах эти свойства распределены по всему объему. Так, например, любой малый элемент твердого тела обладает массой и упругостью.

       Значительный интерес для практики представляют простые гармонические или синусоидальные волны. Они характеризуются амплитудой  (A)  колебаний частиц, частотой  (f)  и длиной волны (λ).     

      Длиной волны λ называют расстояние между двумя соседними точками на оси OX, колеблющимися в одинаковых фазах.

      Расстояние, равное длине волны λ, волна пробегает за время равное  периоду колебаний  (Т), следовательно,  λ = υT, где υ – скорость распространения волны.

      Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде.

      Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.

      Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц, давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

      В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны.

     Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Глава II: «Стоячие волны».

      Стоячая волна — колебания в распределённых колебательных системах с характерным расположением чередующихся максимумов и минимумов амплитуды. Практически такая волна возникает при отражениях от преград и неоднородностей в результате наложения отражённой волны на падающую. При этом, крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения.  Так же  стоячей волной называется волна, образующаяся в результате наложения двух бегущих синусоидальных волн, которые распространяются навстречу друг другу и имеют одинаковые частоты и амплитуды, а в случае поперечных волн еще и одинаковую поляризацию. Примерами стоячей волны могут служить колебания струны, колебания воздуха в органной трубе.

      Стоячие волны образуются при наложении двух бегущих волн, распространяющихся навстречу друг другу с одинаковыми частотами и амплитудами. Практически стоячие волны возникают при отражении от преград.

     Чисто стоячая волна, строго говоря, может существовать только при отсутствии потерь в среде и полном отражении волн от границы. Обычно, кроме стоячих волн, в среде присутствуют и бегущие волны, подводящие энергию к местам её поглощения или излучения.

      В случае гармонических колебаний в одномерной среде стоячая волна описывается формулой  ,

где u — возмущения в точке х в момент времени t, — амплитуда стоячей волны,   — частота , k — волновой вектор,  — фаза.

      Стоячие волны являются решениями волновых уравнений.  Их можно представить себе как суперпозицию волн, распространяющихся в противоположных направлениях.

      При существовании в среде стоячей волны, существуют точки, амплитуда колебаний в которых равна нулю. Эти точки называются узлами стоячей волны. Точки, в которых колебания имеют максимальную амплитуду, называются пучностями.

Глава III:

«Физический эксперимент»

1.    Немного истории

      Джон Ле Конт открыл чувствительность пламени к звуку в 1858 году. В 1862 году Рудольф Кёниг показал, что высоту пламени можно менять, посылая звук в источник газа, и изменения во времени могут быть отображены при помощи вращающихся зеркал.

      Август Кундт в 1866 году, продемонстрировал акустические стоячие волны, помещая семена плауна или корковую пыль в трубу. Когда в трубу был запущен звук, то из семян сформировались узлы (точки, где амплитуда минимальна) и пучности (анти-узлы - области, где амплитуда максимальна), сформированные стоячей волной. Позже, уже в XX веке, Бен показал, что маленькое пламя может служить чувствительным индикатором давления. Наконец, в 1904 году, используя эти два важных эксперимента, Генрих Рубенс, в чью честь назвали этот эксперимент, взял 4-метровую трубу, просверлил в ней 200 маленьких отверстий с шагом 2 см и заполнил её горючим газом. После поджигания пламени (высота огоньков примерно одинакова по всей длине трубы), он заметил, что звук, подведённый к концу трубы, создаёт стоячую волну с длиной волны, эквивалентной длине волны подводимого звука. Кригар-Менцель помогал Рубенсу с теоретической стороной явления.

 

                                                      Август Кундт

2.     Описание эксперимента.

      Мы повторили опыт Рубенса. Мы использовали три разные трубы.

     В первый раз для опыта мы использовали отрезок трубы длиной 1 метр. Через каждый 1 сантиметра были просверлены 50 дырок. Один конец мы подключили к динамику колонки, а второй — к источнику горючего газа, а именно к баллону с пропаном. Все элементы герметично соединены, поэтому газ просачивается только через отверстия.  

Во второй раз мы использовали трубу так же длиной 1 метра, но уже с меньшим диаметром и через каждые уже 2 см сделали 25 дырок. Так же мы сделали трубу длиной всего в 50 см и всего с 38 дырками.

   

    Мы выяснили, что если использовать звук с постоянной частотой, то в пределах трубы может сформироваться стоячая волна из огоньков. Это вызвано тем, что когда динамик включен, в трубе формируются области повышенного и пониженного давления. Там, где благодаря звуковым волнам находится область повышенного давления, через отверстия просачивается больше газа и высота пламени больше. Благодаря этому можно измерить длину волны просто измеряя линейкой расстояние между пиками.

       Сравним теоритические и практические значения длины волны.

       Напомним, что длиной волны́ называют расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Рассчитывать длину волны мы будем по формуле ,

где – скорость движения звуковой волны,  – частота. В трубе у нас находиться пропан. Скорость движения звука в газе рассчитывается по формуле .  Где  -  показатель адиабаты (для многоатомных газов показатель адиабаты равен 4/3),  R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31  Дж⁄(моль∙К).

Молярная масса пропана 44,1 ·  кг/моль. Подставив значения в формулы, мы определяем, что скорость движения звука в пропане равна 262 м/с.

      По результатам измерений и расчетов составили следующую таблицу:

№ п/п	, Гц	теоретическая	практическая
1	2000	0,131 м	14 см
2	5000	0,0524 м	5,3 см
3	10000	0,0262 м	2,5 см
4	20000	0,0131 м	1,3 см

      Во время вычислений возможны погрешности, возникающие во время округления. Так же газ пропан, использовавший в опыте, мог содержать примеси,  температура газа во время опыта могла изменяться.

Заключение

       Благодаря опыту Рубенса стало возможным представление звуковой волны на реальном примере.

       С помощью трубы Рубенса стало возможно доказательство теорем и гипотез, основываясь на практике.

      Так же, опыт с трубой Рубенса показывают студентам в университетах на лекциях  физики для более наглядного представления звуковой волны.    

      Теоретическая часть опыта Рубенса включает в себя понятия о механических волнах и основу молекулярной физики.

Литература.

1.     «Физика 9» А.В.Перышкин, Е.М.Гутник.

2.     «Физика 11» Г.Я.Мякишев, Б.Б. Буховцев и другие.

3.     Физическая энциклопедия.

4.     http://physics.ru/courses/op25part1/content/chapter2/section/paragraph6/theory.html

5.     http://ru.wikipedia.org/wiki/Волна

6.     http://ru.wikipedia.org/wiki/Звук

7.     http://ru.wikipedia.org/wiki/Труба_Рубенса

8.     http://ru.wikipedia.org/wiki/Стоячая_Волна

9.     http://ru.wikipedia.org/wiki/Длина_волны

10. http://ru.wikipedia.org/wiki/Скорость_Звука