XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ÂM


1.Mục tiêu

Xác định tốc độ của âm thanh

Phân tích độ chính xác của giá trị tốc độ âm thanh thu được

2. Chuẩn bị lý thuyết

Vận tốc âm thanh là vận tốc lan truyền sóng âm thanh trong một môi trường truyền âm (xết trong hệ qui chiếu mà môi trường truyền âm đứng yên). Vận tốc này thay đổi tùy thuộc vào môi trường truyền âm (ví dụ âm thanh truyền trong nước nhanh hơn trong không khí) và các điều kiện vật lý hóa học của môi trường này, như nhiệt độ. Trong những môi trường truyền âm dị hướng, vận tốc âm thanh có độ lớn phụ thuộc vào hướng lan truyền.

Trong nhiều lĩnh vực của đời sống, thuật ngữ này thường được dùng để chỉ tốc độ của âm thanh trong không khí. Ở mực nước biển, tại nhiệt độ 21oC và với áp suất tiêu chuẩn, tốc độ âm thanh trong không khí là khoảng 344 m/s. Nhưng âm thanh không thể truyền trong chân không, do trong chân không không có các hạt vật chất để truyền âm thanh.

Một đặc tính nữa của âm thanh là đây là một sóng dọc, tức là nó là sự lan truyền dao động của đại lượng vô hướng là áp suất, đồng thời là sự lan truyền đại lượng có hướng là vận tốc và vị trí của phân tử hay nguyên tử trong môi trường, trong đó phương dao động trùng với phương truyền sóng.

3. Thí nghiệm với thiết bị Addestation

Dụng cụ

1 aMixer MGA, 1 cảm biến âm thanh với Bộ khuếch đại, 1 cảm biến nhiệt độ, 1 loa, 1 mặt phản xạ (vỏ đĩa CD), 1 ống dẫn âm, 2 giá đỡ ống dẫn âm, 1 thước mét, vài mẩu blu-tack (để cố định giá đỡ)

4. Tiến hành

Bước 1: Mở MGA, kết nối cảm biến âm thanh vào CH 1 của MGA. Khi màn hình “Tự động lựa chọn cảm biến”, chọn “Cảm biến âm thanh” rồi nhấn “Chạy”.

v5 1 lựa chọn thang đo

Bước 2: Cắm giắc của loa vào ổ cắm trên MGA có biểu tượng bttainghe.

v5 2 lỗ cắm loa

Bước 3: Nhấn vào nút bên trái phía trước loa để mở loa. Đảm bảo rằng nút ở giữa chưa ấn xuống.

Chú ý: Nút điều chỉnh âm lượng được vặn ở vị trí chấm trắng thứ hai.

v5 4 loa và các nútv8 3 nút chỉnh âm lượng

Bước 4: Đo đạc chiều dài của ống dẫn âm thanh bằng thước mét và ghi lại giá trị vào Bảng 1.

Bước 5: Đặt ông dẫn âm lên 2 giá đỡ ống dẫn, dùng Blu tack để cố định ống dẫn trên giá đỡ. Đặt mặt phản xạ tại đầu cuối của ống dẫn âm. Đặt cảm biến âm thanh ở đầu còn lại của ống dẫn âm. Đảm bảo rằng mặt cảm biến âm thanh ở cùng độ cao với trục ống dẫn âm. Đặt loa cách cảm biến âm khoảng 5 cm.

v8 5 sơ đồ bố trí thí nghiệm

Bước 6: Nhấn vào biểu tượng bt14 . Trong mục “Lựa chọn chế độ” chọn “Phát xung”, mục “Lựa chọn tần số” chọn “500 Hz”, và mục “Bật máy phát” chọn ô vuông và sau đó nhấn vào “Chạy”.

v8 6 chọn tần số phát

Bước 7: Nhấn vào nút bt0 trên MGA để bắt đầu thu thập dữ liệu. Khi bạn quan sát thấy 5 đỉnh xuất hiện trên màn hình MGA, nhấn vào nút bt00 để dừng thu thập dữ liệu. Nhấn vào biểu tượng bt23 để dừng phát xung, nhấn vào nút bên trái của loa để tắt loa.

v8 7 đồ thị thu được

Bước 8: Nhấn vào biểu tượng bt5 rồi nhấn vào một đầu nhọn 6 lần. Ta sẽ thấy đỉnh nhọn chia thành nhiều đỉnh dầy hơn. Đỉnh nhọn lớn nhất số 1 tương ứng với xung tới và đỉnh nhọn số 2 tương ứng với xung phản xạ.

Chú ý: Nếu khi phóng to đồ thị bạn không ấn vào giữa vùng trũng thì đồ thị sẽ bị lệch. Khi đó, ấn vào biểu tượng bt7 rồi ấn vào vùng rìa (màu vàng) để dịch chuyển đồ thị về vị trí mong muốn. Nếu ấn quá nhiều lần phóng to ta có thể nhấn vào biểu tượng bt6 rồi thu nhỏ đồ thị.

v8 8 dịch chuyển đồ thị

Bước 9: Nhấn vào biểu tượng bt5 và nhấn 3 lần vào khoảng giữa mũi nhọn 1 và mũi nhọn chúng sẽ mở rộng và hiện dạng sóng, chiếm khoảng hơn nửa màn hình.

v8 9 phóng đại xung

Bước 10: Nhấn vào biểu tượng bt8 rồi nhấn vào mũi nhọn cao nhất của sóng tới. Một dấu ‘+’ sẽ xuất hiện. Tiếp tục nhấn vào mũi nhọn cao nhất của sóng phản xạ, thêm một dấu ‘+’ sẽ xuất hiện. Lúc này trên màn hình MGA sẽ xuất hiện 2 giá trị. Ghi lại giá trị “Độ lệch thời gian” vào Bảng 1.

Chú ý: Ta có thể di chuyển dấu ‘+’ đến vị trí chính xác bằng cách sử dụng các phím mũi tên trên MGA.

v8 10 phân tích đồ thịphimmuiten

Bước 11: Ngắt kết nối cảm biến âm thanh khỏi MGA và kết nối cảm biến nhiệt độ vào CH 1 của MGA.

Bước 12: Nhấn vào nút bt0 để bắt đầu thu thập dữ liệu. Giữ cảm biến âm thanh trong không khí khoảng 2 phút. Giá trị nhiệt độ thu được (khoanh chữ nhật) sẽ xuất hiện trên màn hình MGA. Ghi lại giá trị số nguyên gần nhất vào Bảng 1. Nhấn vào nút bt00 trên MGA để dừng thu thập dữ liệu.

v8 12 giữ cảm biến trong không khí                      v8 13 thu thập dữ liệu

Bảng 1

Chiều dài ống dẫn âm (m)

Độ lệch thời gian (s)

Nhiệt độ môi trường (oC)

     

 

5. Kết luận

Như vậy thí nghiệm cho phép ta đo một cách định lượng vận tốc của ánh sáng một cách khá chính xác bằng cách phân tích kết quả thí nghiệm.

Các câu hỏi thảo luận:

1. Hãy đưa ra công thức để tính vận tốc của âm thanh trong thí nghiệm vừa làm. Giải thích?

2. Từ bảng giá trị chuẩn của vận tốc âm thanh trong môi trường mà người ta đã đo được. Rút ra giá trị chuẩn của vận tốc âm thanh trong thí nghiệm vừa thực hiện.

13°C

14°C

15°C

16°C

17°C

18°C

19°C

20°C

21°C

22°C

23°C

339.6

340.2

340.9

341.5

342.1

342.7

343.3

344.0

344.6

345.2

345.8

24°C

25°C

26°C

27°C

28°C

29°C

30°C

31°C

32°C

33°C

34°C

346.4

347.1

347.7

348.3

348.9

349.6

350.2

350.8

351.4

352.1

352.7

35°C

36°C

37°C

38°C

39°C

40°C

41°C

42°C

43°C

44°C

45°C

353.3

353.9

354.6

355.2

355.8

356.4

357.1

357.7

358.3

358.9

359.6

3. Kết luận về độ chính xác của vận tốc âm thanh đo được trong thí nghiệm và vận tốc âm thanh chuẩn tham khảo trong câu 2? Giải thích về sự sai số?