Акустический секундомер смартфона смог точно измерить постоянную свободного падения
Эта опция очень полезна для домашних экспериментов
Китайские физики описали простой, но довольно точный опыт по измерению постоянной свободного падения с помощью смартфона. Его идея основана на использовании акустического секундомера, который запускается и останавливается, когда к микрофону поступает достаточно громкий звук. Работа опубликована в The Physics Teacher.
Концепция мобильного телефона со временем развилась в нечто большее, чем просто аппарат для автономной радиосвязи. Установка в гаджеты различных камер, сенсоров и мощных процессоров превратила их в универсальные устройства, которые оказались очень полезны в образовании, поскольку позволяют проводить простые опыты без необходимости посещать лаборатории. Например, с их помощью можно измерять скорость звука, изучать акустическую дисперсию и проводить спектроскопический анализ крови.
Другая простая задача, где может пригодиться смартфон, это опыты по измерению постоянной свободного падения. Их суть заключается в измерении координаты и времени начала и конца падения тела, после чего постоянную можно вычислить по школьной формуле. Проблема заключается в том, что ручной запуск и остановка секундомера страдает от неточности и задержек.
Элегантный способ решить эту проблему нашла группа физиков, работающих в Нанкинском педагогическом университете, под руководством Вэй Чжуан (Wei Zhuang). Они воспользовались опцией «Акустический секундомер», которую предоставляет приложение для доступа к датчикам смартфона phyphox. Ее суть в том, что секундомер в телефоне начинает работать в тот момент, когда к микрофону устройства поступает достаточно громкий звук. Аналогичный сигнал останавливает измерение времени.
Физики располагали стальной шарик на конце тонкой полоски из дерева, которая выступала за краем некоторой возвышенности. Аккуратно ударяя по полоске металлической линейкой, они не только высвобождали шарик в свободное падение, но и создавали первый звуковой триггер для секундомера. Вторым сигналом был непосредственно удар шарика об пол.
Для извлечения постоянной свободного падения авторы проводили серию экспериментов на разных высотах. В этой роли выступили ступени лестницы. Нужная величина получалась подгонкой зависимости высоты от квадрата времени падения линейной функцией. При этом физики оценили вклад в задержку, связанный с конечностью скорости звука: как для начального, так и для конечного триггеров он оказался пренебрежимо малым. В результате эксперимента они получили значение, равное 9,76 ± 0,04 метра на секунду в квадрате, что хорошо согласуется с теоретическим для Нанкина значением в 9,795 метра на секунду в квадрате.
Помимо простых образовательных экспериментов, смартфоны применяют в «большой» науке. Мы рассказывали, как эти гаджеты помогают диагностировать инфекции, выявлять мутации в ДНК и активировать механизм захвата на основе Венериной мухоловки.
Этот опыт можно с легкостью провести в домашних условиях
Уругвайские преподаватели физики поделились способом измерения скорости звука с помощью телескопической трубы от пылесоса и смартфона с приложением для анализа звука. Простой домашний опыт позволит заменить ученикам работу в лаборатории, ограниченную пандемией. Исследование опубликовано в Physics Education, доступен его препринт. Дистанционное образование долгое время оставалось второстепенной формой обучения, пока не случилась пандемия COVID-19. Сложнее всего было перестроиться естественным наукам, существенную часть которых составляют лабораторные работы. По этой причине усилия многих преподавателей физики направлены на то, чтобы предложить ученикам и студентам задания, которые они могли бы выполнить, не выходя из собственного дома. Это оказалось выполнимой задачей. N + 1 регулярно освещает публикации, авторы которых делятся описанием таких работ для самых разных разделов физики: материаловедения, оптической спектроскопии, гидродинамики и многих других. Не последнюю роль при этом играют смартфоны. Будучи гибкой технической платформой с множеством возможностей, эти гаджеты применяются даже в «большой» науке, например, для диагностики инфекций или рака. Новый пример использования смартфонов для нужд домашнего образования привела группа уругвайских физиков во главе с Мартином Монтейро (Martín Monteiro) из Уругвайского университета ORT. Они показали, как с помощью мобильного телефона и телескопической трубки от пылесоса измерить скорость звука. Идея опыта основана на явлении акустического резонанса. Он возникает в тот момент, когда в резонаторе, например, в музыкальном инструменте, возникает стоячая волна. Такие резонансы характеризуются набором частот, чаще всего эквидистантным. Низшая из них определяет ноту музыкального инструмента, в то время как остальные гармоники формируют его характерный тембр. Если резонатор представляет собой трубу с открытыми концами, то волна давления имеет на них узлы. Это означает, что на длине трубы всегда укладывается целое число полудлин волн. Измеряя частоту всех резонансов и зная размер резонатора, можно сделать вывод о скорости звука в нем. Чтобы измерять частоты, авторы предлагают использовать смартфон с установленным на нем приложением, позволяющим анализировать спектр звука, попадающего на микрофон, с помощью быстрого преобразования Фурье. Существует множество бесплатных приложений, подходящих для этого. Физики остановили свой выбор на Advanced Spectrum. В качестве резонатора они использовали телескопическую трубу пылесоса. Возможность изменения длины резонатора важна, поскольку измерения одной и той же величины при различных условиях эксперимента всегда дают более точный результат. Авторы возбуждали в трубе резонанс с помощью резкого удара ладонью с одного конца и измеряли спектр с другого. Затем физики строили зависимость частоты основного тона от обратной длины трубы. Теория предписывает ей линейное нарастание с тангенсом угла наклона, равным удвоенному значению скорости звука. Извлекая это значение из аппроксимации, авторы получили значение 343 ± 3 метра в секунду, что хорошо сходится с известным значением для воздуха при нормальных условиях. В общем случае скорость звука может зависеть от частоты. Эффект акустической дисперсии более выражен в твердых телах, и его тоже можно измерить с помощью смартфона. Звук при этом будет напоминать выстрел бластера из «Звездных войн». Реклама: ООО «ОМД Эвиденс», ИНН 7727306019.
