Инфоурок / Физика / Другие методич. материалы / Учебно - исследовательская (творческая) работа По теме «Труба Рубенса »
Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

Педагогическая деятельность в соответствии с новым ФГОС требует от учителя наличия системы специальных знаний в области анатомии, физиологии, специальной психологии, дефектологии и социальной работы.

Только сейчас Вы можете пройти дистанционное обучение прямо на сайте "Инфоурок" со скидкой 40% по курсу повышения квалификации "Организация работы с обучающимися с ограниченными возможностями здоровья (ОВЗ)" (72 часа). По окончании курса Вы получите печатное удостоверение о повышении квалификации установленного образца (доставка удостоверения бесплатна).

Автор курса: Логинова Наталья Геннадьевна, кандидат педагогических наук, учитель высшей категории. Начало обучения новой группы: 27 сентября.

Подать заявку на этот курс    Смотреть список всех 203 курсов со скидкой 40%

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

библиотека
материалов

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

    1. Немного истории……………………………………7

    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 u=u_{0}\cos kx\cos(\omega t-\varphi ),

где u — возмущения в точке х в момент времени t, u_{0}— амплитуда стоячей волны,  \omega — частота , k — волновой вектор, \varphi — 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.

hello_html_792c8d43.pnghello_html_m172c8ac8.png












Джон Ле Конт Рудольф Кундт










hello_html_6c93a208.png













Август Кундт


  1. 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.

C:\Users\Dnitry\Downloads\Desktop\DCM_112.PNG

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.

C:\Users\Dnitry\Downloads\Desktop\Новая папка\GXhjNv0b84g.jpgC:\Users\Dnitry\Downloads\Desktop\Новая папка\KEIvNGHeQoE.jpg

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 hello_html_18670c9e.gif,

где hello_html_36637589.gif– скорость движения звуковой волны, hello_html_m79d894bc.gif – частота. В трубе у нас находиться пропан. Скорость движения звука в газе рассчитывается по формуле hello_html_303558b0.gif. Где hello_html_m9d4131d.gif- 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 · hello_html_m6c28ec66.gif 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

hello_html_m79d894bc.gif, Гц

hello_html_7ab73972.gifтеоретическая

hello_html_7ab73972.gifпрактическая


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



Самые низкие цены на курсы переподготовки

Специально для учителей, воспитателей и других работников системы образования действуют 50% скидки при обучении на курсах профессиональной переподготовки.

После окончания обучения выдаётся диплом о профессиональной переподготовке установленного образца с присвоением квалификации (признаётся при прохождении аттестации по всей России).

Обучение проходит заочно прямо на сайте проекта "Инфоурок", но в дипломе форма обучения не указывается.

Начало обучения ближайшей группы: 27 сентября. Оплата возможна в беспроцентную рассрочку (10% в начале обучения и 90% в конце обучения)!

Подайте заявку на интересующий Вас курс сейчас: https://infourok.ru

Общая информация

Номер материала: ДВ-060345

Похожие материалы

2017 год объявлен годом экологии и особо охраняемых природных территорий в Российской Федерации. Министерство образования и науки рекомендует в 2017/2018 учебном году включать в программы воспитания и социализации образовательные события, приуроченные к году экологии.

Учителям 1-11 классов и воспитателям дошкольных ОУ вместе с ребятами рекомендуем принять участие в международном конкурсе «Законы экологии», приуроченном к году экологии. Участники конкурса проверят свои знания правил поведения на природе, узнают интересные факты о животных и растениях, занесённых в Красную книгу России. Все ученики будут награждены красочными наградными материалами, а учителя получат бесплатные свидетельства о подготовке участников и призёров международного конкурса.

Конкурс "Законы экологии"