Статтю написано на основі  роботи “ Лабораторна установка для визначення швидкості звуку ”  учня 10 класу Плечія Миколи.

  Для проведення досліду розміщуємо мікрофонні підсилювачі та джерело звуку на одній лінії. Схему досліду по визначенню швидкості звуку  показано на рисунку 1. Сигнали з акустичних датчиків поступають на секундомір, що з’єднаний через паралельний порт з комп’ютером.

Рис.1

Датчики звуку (Рис.2.) перетворюють механічні коливання мембрани мікрофона в цифровий сигнал, який підсилюється транзистором VT1. Далі сигнал випрямляється і поступає на вхід 2 операційного підсилювача DA1, що виконує роль компаратора. Якщо напруга на вході 2 перевищує напругу на вході 3, на виході 7 компаратора з’являється сигнал високого рівня (+5 В). Сигнал поступає на вихід датчика. Світлодіод VD3 служить для візуального контролю сигналу.

Рис.2

Результати дослідів з використанням електронного секундоміру подано в таблиці 1.

Таб. 1

Для аналізу результатів розглянемо залежність швидкості звуку в повітрі, від температури, тиску і вологості. Залежність швидкості від температури [2] практично лінійна: при 0⁰ С швидкість дорівнює 331.5 м/с (p=101325 Па) і зростає з підвищенням температури на градус на 0,59 м/с. Залежність швидкості звуку від вологості повітря досить складна [1]. Графік залежності відносної зміни швидкості від вологості повітря показано на рисунку 3.

Рис.3

Аналізуючи залежність швидкості звуку від тиску, треба відмітити, що ця залежність слабо виражена для змін тиску, які спостерігалися при проведенні дослідів[2]. Досліди проводились при температурі 13 ⁰С, тиску 101300 Па та вологості повітря 80%. Швидкість звуку у цих умовах за теоретичними розрахунками дорівнює 339.88 м/с. Оцінимо похибку вимірювань у досліді. Для вимірювання відстані між мікрофонами використовувалася рулетка, тому абсолютна похибка вимірювань довжини складає 5∙10^-3м. У точність вимірювання часу вносить похибку кварцовий генератор. Відносна зміна частоти кварцу РК206-32768 Гц в інтервалі температур -40 +70⁰С складає 6∙10^-5, однак її можна звести до 10^-7- 10^-8 програмно. Тому за абсолютну похибку вимірювання часу візьмемо два періоди коливань задаючого генератора, приблизно 10^-4с. Відносна похибка вимірювань дорівнюватиме 0,02. Абсолютна похибка 6,8 м/с. Результат досліду 340,25 ± 6,8 м/с співпадає з табличними даними , що підтверджує якість проведеного досліду. Точність досліду можна поліпшити за рахунок збільшення частоти роботи еталонного генератора. Другий таймер мікросхеми 8254 поки що не задіяний, і на його основі можна побудувати точніший секундомір. Збільшивши частоту задаючого генератора до 1МГц, досягаємо точності 10^-6с та максимального вимірюваного проміжку часу без перезавантаження лічильника ≈ 0,065с.

Розроблена установка може бути використана при проведені лабораторного практикуму з фізики в старших класах. За її допомогою можна вимірювати швидкість звуку як в газах, так і в твердих тілах. Точність установки дає можливість досліджувати залежність швидкості звуку від температури. Установка не вимоглива до апаратного забезпечення ПК.
 

Гребенщиков Сергій Валентинович вчитель фізики Давидівобрідської загальноосвітньої школи І-ІІІ ступенів serggreb1960@gmail.com