МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

Кунгурцев Петр Викторович

ОТЧЕТ

о лабораторной работе

«Измерение скорости звука в металлах методом соударения стержней»

Измерительный практикум, 1 курс, группа 0341

Преподаватель измерительного практикума.

_______________ О. А. Брагин

«___»_________ 2010 г.

Преподаватель компьютерного практикума

_____________ Н. А. Витюгова

«___»_________ 2010 г.

Новосибирск, 2010

Аннотация: В ходе работы исследуется скорость звука в металлах методом соударения стержней и систематических погрешностей измерений.

Диапазон длин исследуемых стержней – от 35 до 80 см. В ходе работы удалось установить зависимость времени прохождения звука по стержню от длины стержня.

В процессе исследований и обработки данных были проведены анализы ошибок, возникших в ходе измерений.

Введение

Основной целью работы было определение скорости звука в металлах методом соударения стержней и анализ систематических погрешностей измерений.

В данной работе скорость звука в металлических стержнях измеряется как скорость распространения упругого ударного возмущения вдоль стержней. Исследовалась зависимость времени прохождения сигнала от длины стержня и определялась скорость звука в металлическом стержне.

1. Описание эксперимента

   1. Методика измерений

Основная идея эксперимента заключалась в нахождении зависимости времени соударения стержней от длины стержня.

Два стержня (один – постоянной длины L₂, другой переменной длины L₁) подвешены горизонтально так, чтобы могли соударяться концами параллельно друг другу.

К одному из концов измеряемого стержня переменной длины через последовательно включенную батарею подключен ко входу осциллографа. Но сигнал на этот вход поступает лишь в течении времени Т, когда стержни соединены между собой. Далее по данным осциллографа снимаются данные о времени соударения.

Одна из причин ошибок может состоять в том, что на конце измеряемого стержня находится пьезодатчик, длину которого мы не знаем. Поэтому даже при минимальной (нулевой) длине стержня будет существовать время соударения, т.е. второй стержень будет соударяться с пьезодатчиком.

2. Описание установки

Оборудование: установка для измерения скорости звука методом соударения стержней, цифровой осциллограф Tektronix TDS1012, набор стержней различной длины из различных металлов, низковольтный источник постоянного тока (элемент 1,5 В), пьезодатчик.

Схема установки по измерению скорости звука методом соударения стержней представлена на рисунке.

.

Рисунок. Схема установки для измерения скорости звука методом соударения стержней. L₁, L₂ – металлические стержни; D – пьезодатчик; TDS – цифровой осциллограф с выходами К₁ и К_2; ИП – источник сигнала запуска осциллографа.

Стержни L₁ и L₂ подвешены на гибких подвесах (нитях), обеспечивающих их горизонтальную подвижность вдоль общей оси, нопрепятствующей параллельному смещению осей относительно друг друга (для обеспечения центрального удара).

На левом конце стержня L₁ закреплён пьезодатчик D, сигнал с которого поступает на вход K2 осциллографа. Пьезодатчик представляет собой цилиндрическую таблетку из сегнетоэлектрической керамики (титаната бария), на торцах которой при её упругой деформации возникает разность потенциалов с амплитудой, примерно пропорциональной величине деформации. Диаметр «таблетки» равен диаметру стержня. Деформация (и сигнал) возникает в тот момент, когда распространяющаяся от удара звуковая волна достигнет левого торца стержня L1. Поскольку импеданс C сегнетоэлектрика близок к импедансу металлов, то отражение упругой волны на границе раздела металл – пьезодатчик мало, и волна сжатия распространяется до левого торца пьезодатчика. После чего по системе датчик – стержень в обратном направлении распространяется волна разрежения.

Таким образом, данная установка позволяет измерять скорость распространения звука в стержнях через время t распространения звука по стержню L₁ в соответствии с формулой