Echo od zbliżającej się powierzchni — dwa etapy i błąd przybliżenia
Nieruchomy nadajnik emituje f₀ = 40,0 kHz. Odbiornik stoi obok niego. Dźwięk biegnie z szybkością c = 340 m/s i odbija się prostopadle od powierzchni zbliżającej się jednostajnie z szybkością u = 17,0 m/s. Pomijamy wiatr i zmianę szybkości powierzchni.
Oblicz rytm drgań w miejscu odbicia, częstotliwość odebranego echa i jego przesunięcie. Porównaj dokładne przesunięcie z przybliżeniem 2f₀u/c. Podaj błąd względny przybliżenia względem dokładnego przesunięcia, a nie względem całej częstotliwości echa.
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Najpierw użyj czynnika (c + u)/c, a dopiero potem c/(c − u). Dopiero od końcowej częstotliwości odejmij f₀.
Rozwiązanie
Najpierw ruchomy odbiornik
W miejscu odbicia fronty padające napotykają powierzchnię z szybkością 340 + 17 = 357 m/s. Częstotliwość w tym miejscu to:
f_1=40\,000\ \mathrm{Hz}\,\frac{357}{340}=42\,000\ \mathrm{Hz}.
Potem ruchome źródło fali powrotnej
Powierzchnia odsyła falę o swoim rytmie f₁, lecz mikrofon spoczywa w powietrzu. Trzeba uwzględnić drugi etap:
f_e=42\,000\ \mathrm{Hz}\,\frac{340}{323}=\frac{14\,280\,000}{323}\ \mathrm{Hz}\approx44\,210{,}53\ \mathrm{Hz}.
Zatem Δf ≈ 44 210,53 − 40 000 = 4210,53 Hz. Wynik jest dodatni, zgodnie ze zbliżaniem. Zatrzymanie obliczeń na 42 kHz pominęłoby drogę od ruchomej powierzchni do mikrofonu.
Oceń dokładność uproszczenia
Przybliżenie daje Δfprzybl. = 2 · 40 000 · 17/340 Hz = 4000 Hz. Zaniża przesunięcie o 210,53 Hz. Błąd względny względem dokładnego przesunięcia wynosi:
\frac{|4000-4210{,}53|}{4210{,}53}\approx0{,}0500=5{,}00\%.
Można to sprawdzić bez zaokrąglania: iloraz przybliżonego i dokładnego przesunięcia wynosi (c − u)/c = 0,95. Brakuje więc 5%. Gdybyśmy dzielili 210,53 Hz przez całą częstotliwość 44 210,53 Hz, otrzymalibyśmy około 0,476%; byłaby to odpowiedź na inne pytanie o błąd względny.
Sprawdzamy źródło energii przesunięcia
Echo o wyższej częstotliwości nie powstaje przez darmowe podwojenie liczby drgań. Ruchoma powierzchnia wymienia energię z falą; utrzymanie jej ruchu może wymagać pracy zewnętrznej. Nasze równania śledzą fazę i częstotliwość, nie amplitudę ani moc echa. Do bilansu energii potrzebowalibyśmy dodatkowych danych o fali i powierzchni.
Powiązana teoria
Doppler w echu: dwa przesunięcia i pomiar szybkości
Dalsza lektura
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto