МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

Казырицкая Ольга Николаевна

ОТЧЕТ

о лабораторной работе

«Измерение скорости звука в твердых телах методом соударений стержней»

Измерительный практикум, 1 курс, группа 0331

Преподаватель измерительного практикума

______________ А. С. Золкин

«___»_________ 2010 г.

Преподаватель компьютерного практикума

______________ Н. А. Витюгова

«___»_________ 2010 г.

Новосибирск, 2010г.

Аннотация. Лабораторная работа №6 измерительного практикума ставит задачу нахождения скорости звука в металлах. Объектом исследования являются стержни различной длины (35-70 см) из стали, латуни, меди и алюминия. Для определения скорости звука в металле исследовались продольные волны сжатия - разряжения, образующиеся при лобовом соударении двух одинаковых стержней: измерялись времена прохождения волны вдоль стержня. В результате проведенных опытов по времени соударения стержней и времени прохождения звуковой волны была вычислена скорость распространения звука. Также был проведен анализ погрешностей, включающий в себя как приборные, так и случайные ошибки. Основной причиной ошибок стала неудачно подобранная установка, которая не давала возможности качественно определить время соударения стержней.

Введение

Цель работы: измерение скорости звука в металлах разными способами, обработка результатов, их сравнение и оценка допускаемых погрешностей.

Скорость звука будем определять методом соударения стержней, где выделим два способа. Первый способ: по времени прохождения волны сжатия-разряжения по стержню. Второй способ: по времени соударения стержней. (Более подробное описание см. в пункте 1.1 «Методика измерений»).

1. Описание эксперимента

Для проведения эксперимента собираем установку (см. «Описание установки») и производим ее настройку: обеспечиваем соосность расположения стержней и возможность их центрального соударения, подбираем режимы работы осциллографа (необходимую чувствительность по входам CH1 и CH2, длительность развертки, время опережения). Далее при помощи установки производим измерения времени соударения и времени распространения звука по различным металлическим стержням (медь, латунь, алюминий, сталь). По полученным результатам определяем скорость звука, вносим в таблицу, оцениваем случайные и систематические погрешности измерений. Сравниваем со справочным значением соответствующе скорости.

1. Методика измерений

В данной работе скорость звука в металлических стержнях измеряется как скорость распространения упругого ударного возмущения вдоль стержней. При соударении двух стержней разной длины с момента начала соударения до момента отрыва волна сжатия-растяжения проходит дважды по более длинному стрежню, поэтому, зная время контакта стрежней, можно легко определить скорость волны по формуле

(1),

где L₁ наибольшая из длин стержней. Данная формула верна для стержней из одного материала, одного сечения, но разной длины, в нашем же распоряжении есть только пять стержней разной длины, каждый из которых из разного материала, поэтому достоверность формулы в нашем случае предстоит проверить опытным путем. Также можно напрямую фиксировать время прохождения волны через стержень при помощи пьезодатчика, и определить скорость волны по формуле

(2),

где L длина стержня с пьезодатчиком.

Поскольку в нашем распоряжении находится цифровой осциллограф, это позволяет наблюдать на экране изменения сигналов обоих каналов, происходящие до поступления на вход CH1 сигнала к запуску.

Рис. 1 Вид осциллограммы

На рис. 1 представлен примерный вид осциллограммы, получающейся в экспериментах по соударению стержней.

Таким образом, мы имеем возможность измерять скорость распространения звука в стержнях двумя способами:

– через время Δt соударения стержней,

– через время δt распространения звука по более длинному стержню L1.

В работе предполагается провести все необходимые измерения и сравнить между собой значения скорости звука, вычисленные по формулам (1) и (2).