Описание экспериментальной установки
Михеев Д.И., гр. ЕПР-1-04
Схема установки для определения скорости звука методом интерференции приведена на рис.4.
К станине неподвижно прикреплены изогнутая металлическаятруба В, в которую снизу входит подобная ей труба С несколько меньшего диаметра. Трубу С можно вдвигать в трубу В и выдвигать, вращая рукоятку V. Величина перемещения трубы С определяется с помощью закрепленной на станине линейки и указателя, прикрепленного к подвижной трубе С. В левом колене трубы В сделано отверстие О, через которое она соединяется с динамиком T, подключенным к звуковому генератору ГЗ-123. Этот генератор представляет собой электронный прибор, возбуждающий синусоидальный переменный ток, частоту которого можно изменять в пределах 18— 15 000 Гц.
Рис 4. Схема установки.
Переменный ток, возбуждаемый генератором, протекает через динамик Т, благодаря чему его мембрана начинает колебаться. Поворачивая регулятор частоты генератора, мы изменяем частоту , вследствие чего меняется высота звука, излучаемого мембраной. Звуковые волны попадают в трубу B и разветвляются — часть их распространяется по короткому колену, образованному трубой В, часть — по длинному, образованному трубой С, а затем они вновь сходятся у отверстия, в котором закреплен микрофон Р. С выхода микрофона сигнал через усилитель попадает на вход осциллографа. Так как обе звуковые волны произошли от одного и того же источника, то они являются когерентными, и в результате интерференции на экране осциллографа амплитуда сигнала будет изменяться при изменении разности хода распространения этих волн.
Вдвигая
и выдвигая трубу С вращением рукоятки
V,
можно добиться того, чтобы разность
хода была равна четному числу полуволн,
тогда амплитуда
сигнала на экране осциллографа будет
максимальной; при нечетном числе полуволн
звука амплитуда
будет минимальной.
Зная, на какое расстояние
пришлось переместить
трубу С при переходе от одного минимума
(максимума) амплитуды
к следующему, можно определить длину
звуковой
волны по формуле (19).
Используя значение λ в формуле (20), можно определить скорость распространения звуковых колебаний.
Методика выполнения эксперимента
1.Подключить к установке звуковой генератор и осциллограф и подготовить их к работе, тумблеры установки поставить в положение «1». Регулятор частоты звукового генератора установить на частоту 4 кГц.
2.
Выдвинув трубу С
до
отказа вниз,
перемещать ее вверх, пока на экране
осциллографа не установиться чёткое
изображение условия максимума – волновая
картина максимальной амплитуды. Записать
в таблицу
деление
шкалы,
против которого при этом стоит указатель.
3.
Перемещая вверх трубу С, определить по
показаниям осциллографа следующие
максимумы и каждый раз записывать
соответствующие
значения
,
… деления
шкалы.
4. Найти таким образом координаты всех максимумов.
Примечание: Опыты можно производить относительно минимумов.
5.
Вычислить значения
,
равные:
= n2—
n1
,
=
n3—
n2
и
т.д.
6.
Вычислить
.
7.
По формуле (20) вычислить скорость звука
при данной частоте, подставив
.
Аналогичные
опыты повторяем
на частотах 5 и 6 кГц.
8. Результаты измерений и вычислений свести в таблицу.
-
𝝂, кГц
l1, м
l2, м
l3, м
lср, м
λ,м
υi,м/с
n1
n2
l1
n2
n3
l2
n3
n4
l3
4
5
6
9.
Вычислитьсреднее значение скорости
звука
среднее
квадратическое отклонение s
и
коэффициент вариации Kv
по формулам, соответственно:
;
(21)
где
-
значения скорости звука при различных
частотах;
n – число исследованных частот;
, (22)
. (23)
10. Сравнить полученное экспериментально значение скорости звука с теоретическим значением. Теоретическая скорость распространения акустической волны в упругой среде жидкости или газа зависит от сжимаемости и плотности этой среды и может быть описана формулой:
,
(24)
где χ – показатель адиабаты, B – удельная газовая постоянная, T – абсолютная температура газа. В сухом воздухе, содержащем 0.03 % углерода, при температуре 0оС скорость звука равна 331.5 м/с, а с повышением температуры увеличивается и, например, при температуре 18 оС составляет 342,2 м/с.
11. Сделать выводы.