音速
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目的

実験は、空気中の音速を測定することを目的としています。 実験では、音波パルスが一定の距離を移動するのにかかる時間を測定する必要があります。 音速を正確に推定するために、移動距離と所要時間のグラフをプロットし、最後に勾配を求めます。

理論

音は圧力の変化を通して伝播する波です。 音を発生させる物体は空気を押し出し、その前の圧力が上昇します。 このサイクルは、波を作り出す音の中で高域と低域の動きを生み出します。

物体の速度を決定するために、その位置は時間の関数として測定されます。 速度を一定に保つと、オブジェクトの位置は常に直線的に変化し、時間の経過とともに増加します。 関係から

速度=移動距離/経過時間

私達は手に入れました

x=Vt+xo

Where

x0 =オブジェクトの初期位置

上の線形方程式から、プロットされたグラフの傾きがオブジェクトの速度を表すことがわかります。

空気中の音の動きは、伝播する空気の密度と温度に依存します。 20Hzの周波数の音を使うと、温度依存性は次の式から計算できます。

Where

T =気温(度)

理論的には標準気圧で、相対湿度50%の音は平均速度345.25 m / sで移動します。 実験を実行することができるように我々は与えられた距離を移動するのにかかる時間を測定します。

装置と手順

ルーサイトチューブ:2つのスピーカーが取り付けられています。1つのスピーカーはチューブの端に取り付けられ、もう1つはチューブの内側に移動可能です。 2つのスピーカー間の距離は、チューブの内側を校正するために使用されるメートルテープを使用して測定できます。 最初のスピーカーは送信機、2番目のスピーカーは音波パルスの検出器です。

電気パルス発生器:一定の時間間隔で送信される音を生成する電圧パルスを供給します。 電圧を印加してから受信側スピーカにパルスが現れるまでの時間は、音波パルスが2つのスピーカ間を移動するのにかかる時間に等しい。

オシロスコープ:水平に掃引したときに電子ビームを使用してさまざまな速度を測定できます。 電子ビームの水平運動の開始と垂直偏向の開始との間の時間は、2つのスピーカ間の音波パルスの進行時間に等しい。

手順

  • オシロスコープの画面に表示される電圧トレースの最初の大きな鋭いピークが0.5 msに等しい時間tに対応する0.5 ms垂直線と一致するまで、2番目のスピーカーを動かします。 2番目の話者の位置xを測定し、2つの列からなるテーブルに記録します。1つは時間t、もう1つは位置xです。
  • オシロスコープ画面上の他の垂直線に対応するtの追加値[1、1、1.5、2、および2.5 ms]について、上記のステップ3を繰り返します。 このデータには引き続き表1を使用してください。
  • x(cm)対t(ms)のグラフをプロットします。 クラスでは、このグラフをExcelを使ってプロットします。
  • 音速は一定なので、xとtのグラフは直線になるはずです。 二次元統計、線形回帰、vexpを使用します。

データ

時間t(ミリ秒)位置X(cm)
0.521.5
138.2
1.555.7
273.52
2.589.8
3107.5

計算と分析

グラフの傾き=(Δy)/Δx

VEXP = 34.43543 cm / ms

切片= 4.108

線形相関係数、R2 = 0.999883

Sy = 0.390355

Sスロープ = 0.186625

Sインターセプト = 0.363401

グラフ

質問

  • 直線は、伝播速度を通して音速が一定であることを示しています。
  • 結果として得られるグラフは、加速度がゼロ以外の値になるため常に変化するため、曲線になります。
  • t = 0.5ミリ秒の距離
  • 距離=スピード×時間

    = 34.43543 cm /ミリ秒x 0.5

    = 17.2177 cm

  • 光の移動距離
  • 距離=スピード(c)x時間

    =(3.00×108 m / s)×(0.5×10-3)

    = 150000×1609.34-1

    = 93.2059マイル

    • a)線形相関係数の近さ、R2は、2つの変数が線形に関連していることを示しています。
    • b)各時間間隔中にパルスによって移動した距離を得る。

結論

最後に、得られた値が理論値に近いことが実験から明らかである。 時間と距離のパラメータは線形関係にあると合理的に推論することもできます。

ピン留め
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