Rychlost zvuku ve vzduchu
Použité senzory: Mikrofon (funkce Akustické stopky)
Kategorie: Akustika
Potřeby: alespoň dva mobilní telefony s nainstalovanou aplikací Phyphox, metr (pásmo)
Úvod
Ve vzduchu se zvuk šíří od zdroje volně všemi směry dle Huygensova principu. Je-li zdroj zvuku malý, mají vlnoplochy tvar koule, je-li zdroj zvuku například rozměrná deska, jsou vlnoplochy rovinné. Za rovinné plochy považujeme i plochy od zdroje vzdálené, kdy je poloměr "koule" tak velký, že její výseč můžeme pokládat za rovinnou plochu. Zvuk se šíří ve hmotném prostředí, při teplotě 20 °C a tlaku 1 atm je rychlost zvuku ve vzduchu 343 m/s. Rychlost zvuku můžeme získat např. ze vzorce v = st, a to pokud dokážeme změřit čas, za který zvuk urazil určitou vzdálenost.
Postup
Umístíme telefon (popř. telefony – čím více telefonů, tím více dat, se kterými můžeme pracovat, viz zpracování dat níže) na stůl a odměříme si určitou vzdálenost (ideálně 5 metrů – se vzdáleností můžeme experimentovat). Do této vzdálenosti umístíme druhý telefon/y. Na aplikaci Phyphox (Obr. 9) spustíme funkci "Akustické stopky", přejdeme do záložky "Stručně" a stopky spustíme pomocí tlačítka "Play" v horní levé části. Pokud se nám stopky samy od sebe spouští, musíme zvýšit "Práh měření". Dále nastavíme "Minimální zpoždění" na cca 5 s. To děláme z důvodu, aby se nám stopky nezapínaly/nevypínali kvůli odrazům zvuku od stěn. Pokud bychom pokus prováděli na volném prostranství, tato hodnota může být nižší.
Obrázek 1. Nastavení v aplikaci Phyphox.
K telefonům se postaví žáci. Budeme postupovat podle schématu na Obr. 1. Žák u prvního telefonu tleskne, tím pádem spustí stopky, které jsou mu blíže. Jakmile zvuk dorazí k druhému telefonu, stopky se spustí i na něm. Druhý žák u druhého telefonu po domluvené chvilce (5 s, ale může být kratší/delší) tleskne, čímž zastaví stopky, které jsou mu blíže. Jakmile zvuk dorazí k prvnímu telefonu, stopky se zastaví i na něm.
Obrázek 2. Schéma experimentu.
Zpracování dat
Pokud jsme použili více telefonů, můžeme data z jednotlivých stanovišť průměrovat, popř. odstranit hodnoty, které se očividně liší od ostatních (odlehlé hodnoty) Časový údaj na druhých stopkách odečteme od času na prvních stopkách. Tím získáme čas, za který zvuková vlna urazila dvakrát vzdálenost mezi telefony (pro náš případ 2 x 5 m = 10 m). Po výpočtu zjistíme rychlost zvuku neboli
\[ v = \frac{2s}{\Delta t} \]
kde s je vzdálenost mezi telefony.
Poznámky
Co můžeme diskutovat s žáky: Ve vakuu se vzduch nešíří (vesmírné bitvy ve filmech– zvuk se nemá čím šířit), proč se zvuk šíří rychleji ve vodě, echolokace.
Demonstrační videa (v angličtině a němčině):