Метод исследования и описание установки

Установка состоит из пластмассовой трубы, с одного конца которой неподвижно закреплён микрофон, а у противоположного конца помещён телефон (динамик), закреплённый на металлическом штоке. Другой конец штока жёстко связан с указателем, который может перемещаться вдоль винта, при вращении последнего с помощью рукоятки. Таким образом, при вращении винта рукояткой указатель перемещается по салазкам и перемещает при помощи штока телефон вдоль трубы. Положение телефона внутри трубы может фиксироваться при помощи указателя и шкалы, помещённой под салазками на оправе, крепящей винт.

Рис. 2. Экспериментальная установка

На телефон подаётся синусоидальное напряжение различной частоты ν от звукового генератора. Частота ν измеряется с помощью частотомера. Сигнал с микрофона подаётся на осциллограф, на экране которого можно увидеть амплитуду сигнала. Труба закрыта с обоих концов, поэтому звук претерпевает в ней многократные отражения, и на осциллографе отображается суммарная амплитуда падающей волны, отраженной двукратно, четырехкратно и т.д. Поскольку волны попадают на микрофон в произвольных фазах, в среднем они взаимно гасят друг друга. когда разность хода (т.е. расстояние S между телефоном и микрофоном туда и обратно) кратна целому числу длин волн, их амплитуды складываются. Таким образом, когда S=kλ (k – целое число) на осциллографе наблюдается максимальный сигнал. Следующий максимум будет наблюдаться при смещении телефона на λ/2.

Порядок выполнения работы

1. Включить электропитание данной лабораторной работы с помощью дежурного сотрудника. Включить звуковой генератор, частотомер и осциллограф и дать им прогреться 5-10 минут.

2. Установить на звуковом генераторе частоту «1500 Гц».

3. Определить значение частоты звуковых колебаний ν по показанию частотомера (оно может незначительно отличаться от установленного в пункте 2).

4. Вращая рукоятку, перемещать винт вместе с телефоном. Найти ближайшее к одному из концов трубы положение телефона, при котором сигнал микрофона, наблюдаемый на осциллографе, будет максимальным при данной интенсивности сигнала звукового генератора. Записать показания шкалы напротив рейтера. Для исключения возможного люфта («свободного» хода) штока необходимо отсчёт положения штока всегда производить в одном направлении (при движении либо слева направо, либо справа налево), т. е. вращать рукоятку для снятия отсчёта только в одну сторону.

5. Перемещая телефон вдоль трубы, зафиксировать все положения телефона, при которых сигнал на осциллографе будет максимальным. При каждом положении записать отсчёт по шкале.

6. Из полученных для данной частоты положений максимумов, рассчитать длину звуковой волны λ.

7. Вычислить скорость звука по формуле .

8. Повторить измерения, указанные в пунктах 4-7 для разных частот генератора (например, для ν = 2000, 2500, 3000, 3500, 4000 Гц), определяя каждый раз длину волны и скорость звуковой волны.

9. Измерить по термометру температуру воздуха в комнате во время эксперимента.

10. По алгоритму прямых измерений по всем определённым значениям скорости звука в воздухе найти среднее значение скорости U и её погрешность ΔU.

11. Рассчитать по формуле (10.8) значение показателя адиабаты γ для воздуха (R ≈ 8,31·10³ Дж·кмоль^–1·К^–1, μ ≈ 29 кг·кмоль^–1).

12. Рассчитать погрешность γ по формуле: .