Rychlost zvuku ve vzduchu a butanu

Pokus číslo: 2070

  • Cíl pokusu

    • Žák pozoruje závislost rychlosti šíření zvuku na vlastnostech prostředí, v němž se zvuk šíří

    • Žák měří rychlost zvuku v butanu

    • Žák aplikuje poznatky o stojatém vlnění při měření rychlosti zvuku v plynu

  • Teorie

    Rychlost šíření zvuku ve vzduchu je dle našeho měření vyšší než v butanu.

    Molární hmotnost butanu C4H10 je přibližně 58 g/mol. Molární hmotnost vzduchu je 29 g/mol, což je polovina. Pokud částicím obou plynů dodáme stejnou pohybovou energii například reproduktorem, potom rychlost, kterou se budou částice pohybovat, bude v butanu výrazně menší. To prodlouží dobu mezi srážkami s dalšími atomy plynu a i celá zvuková vlna se bude šířit pomaleji.

    Vezmeme dva stejné odměrné válce, v jednom ponecháme vzduch a druhý napustíme butanem. Pokud vybudíme stojatou vlnu (například fouknutím na hranu hrdla) vzniknou v obou nádobách stojaté vlny s kmitnou u hrdla, uzlem u dna a stejnými vlnovými délkami λ. Rychlost šíření v je ve vzduchu vyšší, proto bude podle vzorce:

    \[v=λ·f\]

    také frekvence f kmiten stojaté vlny ve vzduchu vyšší než v butanu.

  • Pomůcky

    Dva stejně vysoké odměrné válce nebo plastové trubky, butan, PC s programem Visual Analyzer.

  • Komentář

    Návod na práci s programem je uveden v úloze: Výroba hudebního nástroje, Ovládání programu Vizual Analyzer

  • Postup

    Oba válce postavíme vedle sebe. Umístíme reproduktor do hrdla válce. Do jednoho válce napustíme butan z plynového vařiče, hustota butanu je vyšší než vzduchu, takže vzduch postupně vytlačí. Při napouštění pozorně posloucháme klesající frekvenci vycházejícího zvuku. Fouknutím na hranu válce vybudíme stojatou vlnu na vzduchovém válci a následně porovnáme s butanovým válcem. Pro nespornost měření doplňujeme o data naměřená mikrofonem, která nám program Vizual Analyzer zobrazuje v reálném čase (Tab. 1).

  • Vzorový výsledek

    Výsledky z měření ve videu jsou shrnuty v tabulce 1:
         f (Hz)       f (Hz)   
      Vzduch Butan
      Mód 1   150 125
    Mód 2 440 380
    Mód 3 750 630
  • Metodické poznámky

    Experiment lze provést v jedné nádobě, nejprve se vzduchem a až poté s butanem. Testovací hodina však ukázala, že bez naměřených dat z PC (tj. porovnáváme pouze poslechem) je experiment neprůkazný, proto doporučujeme použít nádoby dvě.

    Experiment výrazně zapáchá, je proto nutné vhodně zvolit umístění experimentu.

Typ pokusu: kvantitativní
Věková skupina: od střední školy
Potřebné vybavení: proveditelné s pomůckami, které se na školách obvykle vyskytují
Čas přípravy pokusu: 3–10 minut
Čas provedení pokusu: 3–10 minut
Pokus je zachycen na videu