Контрольные вопросы
1. Что такое стоячая волна? Как она образуется?
2. Чему равна скорость поперечных волн в струне?
3. Что такое обертон?
4. Почему, по Вашему мнению, при одной и той же частоте генератора частоты могут возникать стоячие волны различных порядков?
5. Почему не слышно звука струны?
Работа №2. Определение скорости звука
Цель работы: измерение частоты колебаний и длины волны при резонансе звуковых колебаний в воздухе, заполняющем трубу, и определение скорости звука по данным проведенных измерений.
Оборудование: звуковой генератор, осциллограф С1-94, раздвижная труба
Звуковая волна, распространяющаяся
вдоль трубы, испытывает многократные
отражения от ее концов. Если длина трубы
Lравна целому числу
полуволн
,
где— длина волны звука в трубе,n —
целое число, то в трубе возникают
стоячие волны и наступает резонанс.
Скорость звука vсвязана
с его частотойи длиной волны
соотношением
.
(7)
Условия, при которых возникает резонанс, а момент его наступления легко видеть по резкому увеличению амплитуды синусоиды на экране осциллографа, можно подобрать двумя способами.
При постоянной длине трубы Lплавно меняем частоту звукового генератора, а значит и длину волны. При различных длинах волн возникают последовательные резонансы:
,
с учетом (7) имеем:
,
,
… ,
.
Теперь, если построить график зависимости частоты от номера резонанса, то по его наклону можно определить v/2L.
Не меняя частоту звукового генератора, а значит, не меняя длину волны звука, можно менять длину раздвижной трубы L.Ее длина постепенно увеличивается, и мы наблюдаем ряд последовательных резонансов, им соответствуют следующие значения длин раздвижной трубы:
,
,
… ,
.
Соответственно построив график
зависимости длины трубы от номера
резонанса, по его наклону мы определим
,
и по формуле (7) найдем скорость звука.
Описание установки
Экспериментальная установка показана на рис.3.
Рис.3. Схема экспериментальной установки.
Звуковые колебания возбуждаются мембраной динамика, приводимой в движение переменным током от генератора ГСФ-2, и улавливаются микрофоном, сигнал от которого поступает на осциллограф С1-94.
Задание
1. Изучите установку. Ручкой "Амплитуда" установите минимальный выходной сигнал, чувствительность осциллографа установите максимальной.
2. Включите звуковой генератор и осциллограф и дайте им прогреться 5-7 минут.
3. Зная, что скорость звука составляет около 300 м/сек, рассчитайте на какую частоту следует настроить звуковой генератор, чтобы на длине трубы укладывалось 2-3 длины полуволны звука, и настройте генератор на эту частоту. Амплитуду выходного сигнала подберите так, чтобы слышать негромкий звук динамика.
4. Настройте осциллограф. Для этого переключателем развертки и ручкой уровня синхронизации добейтесь устойчивой синусоидальной картины колебаний.
5. Измерив длину трубы L, и оставляя ее неизменной плавно увеличивайте частоту звукового генератора. Отмечайте частоты, при которых наступает резонанс. Проведите 4-5 измерений частоты.
6. Установив частоту звукового генератора около 2 кГц, и не меняя ее, изменением длины раздвижной трубы найдите 3-4 последовательных резонанса. Измерьте соответствующие длины трубы.
7. Постройте график зависимости частоты звука от номера резонанса, и график зависимости длины трубы от номера резонанса. Определите по графикам скорость звука.
Оцените погрешность полученных результатов.
Проверьте соответствие экспериментально полученного результата скорости звука, со значением, даваемым теоретической формулой (6).