23378

Определение скорости звука в воздухе

Лабораторная работа

Физика

При распространении волны частицы среды колеблются около своих положений равновесия. Упругие волны бывают продольными и поперечными. В продольных волнах частицы среды колеблются в направлении распространения волны. В поперечных волнах частицы среды колеблются в направлениях перпендикулярных направлению распространения волны.

Русский

2013-08-05

333 KB

28 чел.

8

PAGE  - 11 -

Московский государственный технический

университет им. Н. Э. Баумана.

Калужский филиал.

Т.С. Китаева, А.С. Петровичев

«Определение скорости звука в воздухе»

Методические указания к выполнению лабораторной работы № 9

по курсу механики, молекулярной физики и термодинамики.

Калуга 2007 г.

Целью настоящей работы является определение скорости звука в воздухе по методу стоячих волн.

1. Теоретическая часть.

Процесс распространения возмущений в веществе или в поле называется волновым процессом или волной.

При распространении волны частицы среды колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаётся лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии в пространстве без переноса вещества.

Механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде, называются упругими или механическими волнами. Упругие волны бывают продольными и поперечными.

В продольных волнах частицы среды колеблются в направлении распространения волны. Они могут распространяться в среде, в которой возникают упругие силы при деформации сжатия и растяжения, то есть в твёрдых, жидких и газообразных телах.

В поперечных волнах частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. Они могут распространяться в среде, в которой возникают упругие силы при деформации сдвига, то есть только в твёрдых телах.

Упругая волна называется гармонической, если соответствующие ей колебания частиц среды являются гармоническими.

На Рис. 1. частица среды  находится от источника колебаний  на расстоянии . Если колебания точек, лежащих в плоскости , описываются функцией , то частица среды  колеблется по тому же закону, но её колебания будут отставать по времени от колебаний источника на , так как для прохождения волной расстояния  требуется время , где  - скорость распространения волны. Тогда уравнение колебаний частиц среды, лежащих в плоскости , имеет вид:

                                                                                                 (1)

Уравнение (1) представляет собой уравнение плоской бегущей волны, где  - амплитуда волны,  - циклическая частота волны,  - фаза волны.

Бегущая волна переносит энергию в пространстве. Для характеристики волн используется волновое число:

                                                                                                            (2)

С учётом (2) уравнение (1) примет вид:

                                                                                                 (3)

Если плоская волна распространяется в противоположном направлении, то

                                                                                                 (4)

Изображённый на Рис. 1. график волны даёт зависимость смещения всех частиц среды относительно положения равновесия от расстояния до источника колебания в данный момент времени (моментальный «снимок»).

Рис. 1. Зависимость смещения частиц среды относительно положения равновесия от расстояния до источника колебаний в данный момент времени (моментальный «снимок» волны).

Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны :

                                                                                                                            (5)

Учитывая, что , где  - частота колебаний, получим:

                                                                                                                            (6)

Если в среде распространяется одновременно несколько волн, то происходит наложение волн друг на друга.

Волны называются когерентными, если разность их фаз остаётся постоянной во времени. Очевидно, когерентными могут быть лишь волны, имеющие одинаковую частоту (монохроматичные).

При наложении в пространстве двух или нескольких когерентных волн в различных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны в зависимости от соотношения между фазами этих волн. Это явление называется интерференцией волн.

Особым случаем интерференции являются стоячие волны – это волны, образующиеся при наложении двух бегущих волн, распространяющихся навстречу друг другу с одинаковыми амплитудами и частотами колебаний.

Уравнения плоских бегущих волн имеют вид:

,                                                                                                        (7)

                                                                                                        (8)

Сложив (7) и (8), получим уравнение стоячей волны:

                                       (9)

Из уравнения (9) вытекает, что  в каждой точке этой волны происходят колебания той же частоты  с амплитудой .

В точках среды, где

,                                                                                          (10) амплитуда колебаний достигает максимального значения: .

Эти точки называются пучностями стоячей волны. В точках среды, где

,                                                                                  (11) амплитуда колебаний обращается в нуль. Эти точки называют узлами стоячей волны. Точки среды, находящиеся в узлах, колебаний не совершают. Из выражений (10) и (11) получим координаты пучностей и узлов:

,                                                                                               (12)

                                                                                  (13)

Из формул (12) и (13) следует, что расстояния между двумя соседними пучностями и двумя соседними узлами одинаковы и равны , а расстояние между соседними пучностью и узлом равно  (Рис. 2., где .).

Рис. 2.

В случае стоячей волны переноса энергии нет, так как падающая и отражённая волны одинаковой амплитуды несут одинаковую энергию в противоположных направлениях. Полная энергия результирующей стоячей волны, заключённая между узловыми точками, остаётся постоянной. Лишь в пределах расстояний, равных , происходят взаимные превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно.

Упругие волны, распространяющиеся в среде с частотами в пределах , называются звуковыми или акустическими. Волны указанных частот, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают ощущение звука.

Волны с частотой  (инфразвуковые) и с частотой  (ультразвуковые) органами слуха человека не воспринимаются.

Скорость распространения звуковых волн в газах вычисляется по формуле:

,                                                                                                                   (14)

где  - универсальная газовая постоянная;

      - молярная масса газа;

      - отношение молярных теплоёмкостей газа при постоянном давлении и объёме;

      - термодинамическая температура, .

Так при , , скорость звука в воздухе . Выражение (14) соответствует опытным данным.

2. Экспериментальная часть.

Если источник звука посылает волны с известной частотой , то, измерив каким-либо способом длину волны , можем рассчитать скорость распространения звуковой волны в среде:

                                                                                                                    (15)

Частоту колебаний можно задать с помощью звукового генератора. Определение длины волны можно произвести с помощью метода образования стоячих волн при интерференции падающей и отражённой волны.

Например, если добиться возникновения стоячей звуковой волны, то в местах её пучностей наблюдается резкое усиление звука, так как резко увеличивается амплитуда колебания звуковой волны. Это явление называется акустическим резонансом. Определение расстояния между пучностями даёт возможность измерить длину волны. Зная частоту звуковых колебаний и длину волны, можно вычислить скорость звука в среде.

Экспериментальная установка для измерения скорости звука в воздухе изображена на Рис. 3. Она позволяет создавать стоячие волны в воздушном столбе и измерять их интенсивность.

Установка состоит из цилиндра (1), в котором с помощью телефона (2) возбуждается звуковая волна, распространяющаяся вниз и отражающаяся вверх от поверхности воды, заполняющей нижнюю часть цилиндра, уровень которой измеряется с помощью сообщающегося сосуда (3). Положение уровня воды в сосуде и цилиндре измеряются по шкале штатива (4). Интенсивность результирующей стоячей волны на верхнем срезе цилиндра регистрируется микрофоном (5), электрический сигнал которого измеряется ламповым милливольтметром (6). Питание телефона осуществляется от звукового генератора напряжения (7).

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для определения скорости звука в воздухе по методу стоячих волн.

3. Выполнение эксперимента.

Перед началом измерений убедиться в наличии воды в сосудах.

1. Установить предел измерений милливольтметра ; регулятор напряжения генератора поставить на минимум против часовой стрелки.

2. Включить сетевые тумблеры генератора и милливольтметра. Установить частоту генератора . Плавно увеличить напряжение до , при этом стрелка милливольтметра должна отклоняться.

3. При перемещении сосуда по вертикали должно наблюдаться увеличение и уменьшение величины сигнала по шкале милливольтметра. При изменении уровня воды в цилиндре обеспечить диапазон отклонений стрелки не более  шкалы милливольтметра.

4. Снять зависимость сигнала по шкале милливольтметра  от координаты уровня жидкости в цилиндре , измеряя её по шкале штатива, на котором размещён сообщающийся сосуд; при этом увеличивая число точек в диапазоне, где сигнал изменяется более резко. Полученные результаты измерений занести в таблицу № 1.

5. Построить на миллиметровке график зависимости .

6. Используя полученную зависимость, определить расстояние между узлами стоячих волн  (, , ).

7. Так как , вычислить длину звуковой волны по формуле: ,  (, , ).

8. Вычислить скорость звука в воздухе по формуле: ,  (, , ).

9. Вычислить среднее значение скорости звука в воздухе и погрешности измерений.

,

где .

,

где ,

     ,

     .

.

10. Соблюдая правила округления, ответ записать в виде:

.

11. Результаты вычислений занести в таблицу № 2.

Таблица № 1.

Таблица № 2.

N n/n

1

2

3

4. Контрольные вопросы.

1. Записать уравнение плоской бегущей волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси .

2. Получить уравнение стоячей волны, записать координаты её пучностей и узлов.

3. Как зависит скорость распространения звука в газах от температуры? Дать качественное обоснование этой зависимости с точки зрения молекулярно-кинетической теории вещества.

4. В чём заключается суть метода стоячих волн по определению скорости звука в воздухе?

5. Литература.

1. Майсова Н.Н. «Практикум по курсу общей физики: учебное пособие». М., Росвузиздат, 1963.

2. Савельев И.В. «Курс общей физики: учебное пособие», т. 2. М., Наука, 1988.

3. Физический практикум под редакцией В.И. Ивероновой: учебное пособие. М., Наука, 1967.

4. Трофимова Т.И. «Курс общей физики: учебное пособие для вузов». 4 изд. М., Высшая школа, 1990.

5. Савельев И.В. «Курс общей физики в пяти книгах». М., АСТРЕЛЬ, А.С.Т., 2003.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74153. Понятие, особенности и виды административно-правового статуса гражданина РФ, иностранных граждан и лиц без гражданства 17.08 KB
  Структура административноправового статуса: административная правоспособность – способность быть субъектом административного права иметь права и выполнять обязанности административноправового характера; административная дееспособность – способность лица своими личными действиями приобретать субъективные права и выполнять обязанности а также нести ответственность в соответствии с нормами административноправового характера; совокупность прав и обязанностей; ответственность; гарантии реализации прав и обязанностей. Виды...
74154. Административно-правовой статус иностранных граждан и лиц без гражданства 18.26 KB
  Лицо без гражданства – лицо не являющееся гражданином Российской Федерации и не имеющее доказательств наличия гражданства иностранного государства. Для пребывания иностранных граждан и лиц без гражданства на территории Российской Федерации существуют национальный режим и режим наибольшего благоприятствования. Иностранные граждане и лица без гражданства пользуются в Российской Федерации правами и несут обязанности наравне с гражданами Российской Федерации кроме случаев установленных федеральным законом или международными договорами РФ ч.
74155. Основные права и обязанности граждан в сфере государственного управления 16.36 KB
  Виды прав граждан в сфере государственного управления: на участие в управлении государством как непосредственно так и через своих представителей; на поступление на государственную службу; на обращение в органы государственной власти органы местного самоуправления и к их должностным лицам как индивидуально так и коллективно; на свободу передвижения; на неприкосновенность личности; на неприкосновенность жилища; на объединение включая право создавать профессиональные союзы для защиты своих интересов; на проведение собраний митингов...
74156. Административно-правовой статус юридических лиц 19.53 KB
  В отношении общественных организаций запрещаются создание объединений преследующих незаконные цели и осуществление деятельности посягающей на здоровье и нравственность населения права и законные интересы граждан. Обязанности юридических лиц: общие необходимость соблюдения требований законодательства в своей деятельности; обязанность государственной регистрации создания реорганизации ликвидации юридических лиц внесения изменений в уставные документы; специальные регистрация прав на недвижимое имущество и сделок с...
74160. Исследование эффективности автоматического отключения питания в системе TN-C 69 KB
  При отсутствии нулевого провода А 31 Выводы по разделам Обеспечивает ли защитное заземление защиту от косвенного прикосновения в системе TNC и почему Да защищает путём снижения тока кз отводом в землю Возможно ли автоматического отключение питания при отсутствии нулевого провода и почему Результаты измерений При целом нулевом проводе...
74161. Исследование защитного заземления электроустановок 18.03 KB
  Закрепление теоретических знаний по пожарной безопасности промышленных предприятий; изучение существующих средств тушения пожаров; приобретение навыков по правильному использованию, применению и расчету необходимого количества средств пожаротушения для обеспечения пожарной безопасности объектов железнодорожного транспорта