LABORATORIUM Z FIZYKI Ć W I C Z E N I E N R 3 AKUSTYCZNY EFEKT DOPPLERA

Transkrypt

1 Prjekt Plan rwju Plitechniki Cęstchwskiej współinanswany e śrdków UNII EUROPEJSKIEJ w ramach EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU SPOŁECZNEGO Numer Prjektu: POKL /08 INSTYTUT FIZYKI WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I TECHNOLOGII MATERIAŁÓW POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA LABORATORIUM Z FIZYKI Ć W I C Z E N I E N R 3 AKUSTYCZNY EFEKT DOPPLERA Plitechnika Cęstchwska, Centrum Prmcji i Zastswań Nauk Ścisłych ul. Dąbrwskieg 73 pk. 178, Cęstchwa tel./ ax , imi@imi.pc.pl,

2 I. Zagadnienia d prestudiwania Eekt Dpplera w prypadku bliżania się bserwatra d nieruchmeg źródła; Eekt Dpplera w prypadku bliżania się źródła d nieruchmeg bserwatra; Fale sprężyste, pdstawwe wielkści charakteryujące ruch alwy ; Fale dźwiękwe, prędkść ich rchdenia się; Odbicie, ałamanie ra pchłanianie al dźwiękwych. II. Wprwadenie teretycne Gdy bserwatr bliża się d źródła al kreślnej cęsttliwści, cy też ddala się d teg źródła, t bserwuje n mianę cęsttliwści dchdących d nieg al. Analgicną mianę cęsttliwści bserwuje nieruchmy bserwatr, d któreg bliża się lub d któreg ddala się źródł al. Na prykład stjąc blisk jedni i wsłuchując się w klaksn nadjeżdżająceg samchdu, słysymy wyraźny spadek wyskści dźwięku w chwili, gdy samchód nas mija. Zjawisk t stał wykryte w rku 1842 pre austriackieg ucneg Charlesa Dpplera i nsi nawę eektu Dpplera. Długść ali jej cęsttliwść i prędkść rchdenia się wiąane są ależnścią: T (1) Rważmy prypadki: Nieruchme źródł ali ruchmy bserwatr bliżający się ku źródłu dźwięku Fale będą dchdiły d bserwatra prędkścią równą sumie prędkści bserwatra i prędkści ali. ( ) T ( ) (2)

3 Gdy bserwatr bliża się d źródła dźwięku prędkścią t prędkść ali wględem nieg jest więksa (wynsi + 0 ) i wiąku tym słysy dźwięk jak wyżsy d recywisteg tn. cęstści: 0 (3) Nieruchme źródł ali ruchmy bserwatr ddala się d źródła dźwięku Fale będą dchdiły d bserwatra prędkścią równą różnicy wartści prędkści bserwatra i prędkści ali. ( ) T ( ) (2 ) Gdy bserwatr ddala się d źródła dźwięku prędkścią, prędkść ali wględem nieg jest mniejsa (wynsi 0 ) i bserwwana pre nieg cęstść dźwięku też jest mniejsa d recywistej: (3 ) Nieruchmy bserwatr źródł ali dźwiękwej bliża się d bserwatra Źródł prusa się prędkścią, emitując alę cęstści 0, która prusa się prędkścią. Dwa wierchłki ali są generwane w dstępie caswym T 0 =1/ 0 W tym casie źródł prebywa drgę T 0. Odległść pmiędy dwma wierchłkami będie więc równa:

4 ( ) T ( ) (4) pnieważ T (5) trymujemy 0 (5) c p prekstałceniu daje (6) Nieruchmy bserwatr źródł ali dźwiękwej ddala się d bserwatra Pry achwaniu analgicneg tku rumwania jak w pprednim akapicie, pre analgię trymamy: Eekt Dpplera jest symetrycny e wględu na ruch źródła lub dbirnika dla al elektrmagnetycnych. T dmienne achwanie się al elektrmagnetycnych wynika ich stałej prędkści prpagacji w każdym układie dniesienia i relatywistycnej wględnści casu III. Prebieg ćwicenia Nieruchmy bserwatr ruchme źródł dźwięku bliżające się lub ddalające d bserwatra Wóek głśnikiem mże premiescać się w strnę mikrnu i pwrtem, różnymi prędkściami. Student bwiąany jest d wyknania c najmniej dwóch pmiarów dla dwóch różnych prędkści wóka gdy bliża się n d mikrnu i ddala 1. Sprawdić cy estawienie układu pmiarweg jest gdne pniżsym rysunkiem i identyikwać wsystkie elementy: (7)

5 generatr unkcyjny, tkmórka, mduł Cbra 3, mikrn, głśnik, wóek silnikiem asilanym napięciem stałym 3,3V mikrn tkmórka generatr i wóek głśnikiem mduł Cbra3 Rys. 1 Zestaw pmiarwy d ćwicenia akustycny eekt Dpplera

6 2. Włąc prewdy asilające d jednstki Cbra 3, kmputera, generatra unkcyjneg i wóka. Generatr wygrewać min. 15 minut. 3. Uruchm kmputer 4. Uruchm prgram Measure 5. W menu Miernik wybier Cbra3 Timer / Licnik 6. Ustawić parametry pmiarwe gdnie rys. 2 Rys.2 Parametry d pmiaru cęsttliwści 7. Ustaw cęsttliwść sygnału (w akresie d 16kH d 18kH) na generatre unkcyjnym ra umieść wóek głśnikiem na tre. (należy pamiętać aby ustawić dpwiednią intensywnść sygnału w prypadku dużeg hałasu w labratrium lub jeg klicy pmiar mgą akłócać dźwięki innych źródeł) 8. Włąc mikrn, prełącnik sygnału wyjściweg ustaw w pycji TTL 9. Preprwadź wielkrtny pmiar cęstści 0 pry spcywającym wóku. Cęsttliwść dźwięku pwinna być jednakwa na całej długści tru jedneg. 10. Z paska akładek wybier Plik Nwy pmiar włącyć akładkę Timer, ustaw unkcje jak na rys. 3. Rys. 3 Parametry d pmiaru prędkści wóka

7 11. Ustaw prędkść wóka na wartść kł 1/3 skali 12. Zasilić wóek napięciem k. 3,3V asilaca prądu stałeg. 13. Uruchm wóek i preprwadź pmiar 10 krtnie w kierunku mikrnu, i pwrtem. Wybier menu Pmiar Eksprt wartści pmiarwych, Eksprtuj jak wartści licbwe i apis swój pmiar. Wyniki wpisać d tabeli 1. Tabela pmiarwa 1. Lp. Prędkść wóka 1 V [m/s] 2 V [m/s] 3 V [m/s] 4 V [m/s] 5 V [m/s] 6 V [m/s] 7 V [m/s] 8 V [m/s] 9 V [m/s] 10 V [m/s] V śr [m/s] Ruch w kierunku mikrnu Ruch w kierunku d mikrnu 14. Z paska akładek wybier Plik Nwy pmiar włącyć akładkę Licnik. Pmiar autmatycny, pstałe parametry jak rys Uruchm wóek i preprwadź pmiar 10 krtnie w kierunku mikrnu, i pwrtem. Wybier menu Pmiar Eksprt wartści pmiarwych, Eksprtuj jak wartści licbwe i apis swój pmiar. Z menu Analia pmiaru wybier Analia krywych, blic ekstrema, apis wynik d tabeli 2 Rys. 3 Wykres mian cęsttliwści dźwięku pry ruchmym źródle wra analią pmiarów

8 Tabela pmiarwa 2 Ruch w kierunku mikrnu '[kh] Ekstremum 1 Ekstremum 2 Ekstremum 3 Ekstremum 4 Ekstremum 5 Ekstremum 6 Ekstremum 7 Ekstremum 8 Ekstremum 9 Ekstremum 10 śr mierna śr wylicna cęsttliwść w spcynku 0 = Ruch w kierunku d mikrnu ''[kh] IV. Opracwanie wyników 1. Na pdstawie wrów (6) i (7) blicyć cęsttliwści dźwięku, pryjmując prędkść dźwięku =340m/s. 2. Oblicyć presunięcie cęsttliwści 3. Prównać trymane blicne wartści cęsttliwści wartściami miernymi. V. Rachunek błędu i dyskusja wyników Oblicenia w celu wynacenia rachunku błędu dla równań (3) i (3 ) preprwadź metdą różnicki upełnej. VI. Literatura 1. R. Resnick, D. Halliday Fiyka Wydawnictw Naukwe PWN, Warsawa B. Matuła Akustyka Skrypt Ucelniany Nr 430 Diał Wydawnictw Plitechniki Śląskiej w Gliwicach, Marila Śliwińska-Kwalska Audilgia klinicna, Meditn, Łódź 2005, wyd Andrej Cyżewski, Bżena Kstek, Henryk Skarżyński, Technika kmputerwa w audilgii, niatrii i lgpedii Wyd. Akademicka Oicyna Wydawnica Exit, Warsawa 2002