36787

Определение скорости звука, модуля Юнга и внутреннего трения резонансным методом

Лабораторная работа

Физика

Деформацией твердого тела называется изменение формы или объема тела под действием внешних сил. Деформации, которые полностью исчезают после прекращения внешних воздействий, называются упругими. Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими. Деформации реальных тел после прекращения действия внешних сил никогда полностью не исчезают. Однако если остаточные деформации малы, то ими можно пренебречь и рассматривать деформации как упругие.

Русский

2013-09-23

187.5 KB

21 чел.

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Наименование факультета – ЕНМ

Наименование выпускающей кафедры – Общая физика

Наименование учебной дисциплины - Физика

Лабораторная работа № 2-21.

«Определение скорости звука, модуля Юнга и внутреннего трения резонансным методом».

Исполнитель:

Студентка, группы 13а61(_______) Королева Я.Ю.

                                                       подпись   

                                (_______)

                                                                                                                                          дата

Руководитель, профессор (_______) Крючков Ю.Ю.

                                                                     Должность, ученая степень, звание        подпись

          (_______)

                                                                                                                                          дата

Томск –2008

Цель работы: используя динамический метод измерения характеристик деформаций, определить модуль Юнга, скорость распространения звука в стальном, алюминиевом и латунном стержнях.

Приборы и принадлежности: прибор с испытуемыми стержнями, измерительный блок, компьютер.

Краткое теоретическое введение

Деформацией твердого тела называется изменение формы или объема тела под действием внешних сил. Деформации, которые полностью исчезают после прекращения внешних воздействий, называются упругими. Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими. Деформации реальных тел после прекращения действия внешних сил никогда полностью не исчезают. Однако если остаточные деформации малы, то ими можно пренебречь и рассматривать деформации как упругие.

Характер деформаций многообразен: изгиб, сдвиг, кручение, срез, всестороннее сжатие и растяжение и т.д. Простейшей деформацией является продольное или одностороннее растяжение (сжатие) под воздействием внешней силы , приложенной вдоль оси стержня, без учета изменения поперечных размеров стержня.

Рассмотрим однородный стержень длиною  и площадью поперечного сечения , к концам которого приложены направленные вдоль его оси силы  и  в результате чего длина стержня изменится на величину . Деформацию растяжения (сжатия) характеризуют абсолютным

                                                                                                                                     (1)

и относительным

                                                                                                                                     (2)

удлинениями, где  — начальная длина стержня;  — конечная длина.

Характеристикой состояния деформированного тела является механическое напряжение или просто напряжение  - отношение модуля силы упругости  к площади поперечного сечения  стержня:

                                                                  .                                                                       (3)

Опыт показывает, что при малых деформациях напряжение  прямо пропорционально относительному удлинению . Эта зависимость, называемая законом Гука, записывается в виде

                                                                .                                                                     (4)

Относительное удлинение  приводится по модулю, так как закон Гука справедлив как для деформации растяжения, так и деформации сжатия, когда . Подставив (2) и (4) в (3), получим

                                                                 .                                                                   (5)

Коэффициент пропорциональности , входящий в закон Гука, называется модулем продольной деформации, или модулем Юнга. Из (5) модуль Юнга численно равен нормальному напряжению , при котором длина стержня изменяется в два раза (). Для металлов величина модуля Юнга лежит в диапазоне .

Приведем (5) к виду

                                                               .                                                                  (6)

Обозначим . Тогда

                                                                ,                                                                     (7)

где  - коэффициент упругости.

Согласно (7), удлинение стержня при упругой деформации прямо пропорционально действующей на стержень силе. При резонансной частоте на половине длины стержня укладывается нечетное число четвертей длин волн. Это условие записывается так:

                                                            ,                                                                 (8)

где . При  амплитуда резонансного колебания наибольшая.

Скорость распространения упругих волн v в стержне связана с частотой колебаний соотношением

                                                                   .                                                                      (9)

Тогда (при )

                                                               .                                                                    (10)

Если длина стержня много больше его поперечных размеров, то скорость распространения продольных колебаний в стержне равна

                                                               ,                                                                     (11)

где  - плотность материала стержня.

Отсюда

                                                                 .                                                                   (12)

При возбуждении в образце вынужденных колебаний часть колебательной энергии превращается в энергию хаотического движения. Этот процесс называется внутренним трением. Если частота вынуждающей силы равна резонансной частоте, амплитуда колебаний достигает максимума и при отклонении частоты колебаний от резонансной (в ту или иную сторону) падает до минимального значения.

Величина внутреннего трения может быть определена по формуле

                                                            ,                                                                   (13)

где  - разность частот, при которой достигается половина высоты резонансного пика. Эта величина определяется в эксперименте.

Добротность  (характеристика, указывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебании при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебании вдали от резонанса) и  связаны между собой соотношением

                                                           ,                                                               (14)

где  - логарифмический декремент затухания. Это соотношение справедливо в том случае, если угол  мал, что и имеет место на практике.

Методика и техника измерений

Для определения модуля Юнга, скорости звука и внутреннего трения в исследуемом образце необходимо экспериментально получить резонансную кривую. Для этого медленно изменяют частоту звукового сигнала от 2200 до 3500 Гц и одновременно следят за сигналом на экране дисплея. В исследуемом стержне образуется стоячая волна. Образец начинает «звучать». При приближении к резонансной частоте звук усиливается, а амплитуда сигнала на экране компьютера возрастает. Таких возрастаний амплитуды на всем диапазоне частот может оказаться несколько, из них выбираете ту, при которой амплитуда сигнала наибольшая. В этом случае найденный резонансный пик соответствует случаю . Измеряя амплитуду сигнала вблизи резонансной частоты, постройте резонансную кривую.

I. Задание

1. Измерьте резонансные кривые амплитуды вынужденных колебаний от частоты для трех исследуемых образцов.

2. Рассчитайте скорость звука в образцах, модуль Юнга и величину внутреннего трения.

3. Рассчитайте погрешность измерения.

II. Измерения

1. Проверьте, чтобы все соединительные провода были подключены к измерительному блоку (ИБ) и макетной установке. Включите тумблер «Сеть» измерительного блока (ИБ). При этом на его передней панели с надписью «Вольтметр» зажигается индикатор.

2. Включите компьютер. На экране монитора появится изображение.

3. Нажмите кнопку «Регистрация». Установите курсор мыши в окно «Фамилия». Используя клавиатуру, введите свои фамилию и имя.

4. После регистрации можно обратиться к разделам «Теория». «Контрольные вопросы» или перейти к эксперименту, нажав панель «Эксперимент». На экране монитора появится изображение показанное.

5. В поле «Характеристики стержня» выберите материал исследуемого стержня.

6. Установите на макете и измерительном блоке ручку выбора стержня в положение, соответствующее выбранному стержню.

7. Установите число измеряемых точек резонансной кривой (рекомендуемое количество ).

8. Установите мышкой в окнах «Частотомер электронно-счётный» и «Вольтметр напряжения переменного тока» автоматический режим (Авт.), «Время измерения» - 1 с, «Предел» - 1. Затем, изменяя положение регуляторами «Частота грубо» и «Частота плавно» на передней панели ИБ, получите максимальную амплитуду измеряемого сигнала. Его величину можно фиксировать на передней панели вольтметра. Частота, соответствующая максимуму сигнала, является резонансной .

9. Переведите «Частотомер электронно-счётный» и «Вольтметр напряжения переменного тока» в ручной режим для записи значений  и . Для этого нужно нажать клавишу «Записать точку » в поле «Измеренные значения».

10. Вращая ручку «Частота плавно» на ИБ, измените частоту генератора (в пределах , где ) без изменения напряжения выхода генератора и запишите значения . Компьютер автоматически построит резонансную кривую, наблюдаемую в поле «Измеренные значения».

11. В поле «Характеристики стержня» запишите резонансную частоту  и клавишей «Enter» введите это значение в таблицу.

12. Повторить пункты 5-11 для других стержней.

13. Нажмите клавишу «Возврат».

III. Расчет

1. Нажмите клавишу «Расчет». На экране монитора появится табл. 1 «Расчетные данные», табл. 2 «Справочные данные» и табл. 3 «Расчет погрешности».

2. Выбирая из выпадающего списка исследуемый материал, рассчитайте по формулам (9), (12), (13) скорость распространения волны в стержне, модуль Юнга и величину внутреннего трения. Результаты необходимо внести в табл. 1.

Таблица 1.

Расчётные данные по латуньему стержню.

Повышение резонанса

Понижение резонанса

Точка резонанса

Точка резонанса

2301

50

2300

56

2302

45

2299

47

2303

44

2298

30

2304

32

2297

20

2305

31

2296

19

Таблица 2.

Расчётные данные по стальному стержню.

Повышение резонанса

Понижение резонанса

Точка резонанса

Точка резонанса

3298

45

3297

57

3299

41

3296

53

3300

32

3295

35

3301

31

3294

27

3302

24

3293

13

Таблица 3.

Расчётные данные по алюминиевому стержню.

Повышение резонанса

Понижение резонанса

Точка резонанса

Точка резонанса

3332

6,0

3331

10,2

3333

6,1

3330

9,9

3334

6,1

3329

10,3

3335

6,2

3328

6,0

3336

6,2

3327

6,1

Таблица 4.

РАСЧЁТНЫЕ ДАННЫЕ

Материал

Скорость звука,

Модуль Юнга,

Внутреннее трение

Латунь

3607,968

10,9

Сталь

5171,264

20,8

Алюминий

5224,576

7,37

Вывод: в данной лабораторной работе мы определяем скорость распространения волны в стержне, модуль Юнга и величину внутреннего трения. Подсчитав скорость распространения волны, мы видим, что минимальное значение скорости достигает стержень, состоящий из латуни, а максимальное – из алюминия, что можно увидеть из расчётов табл. 4. Далее оценим модуль Юнга, явно видно, что максимум энергии затрачивается на стальном стержне, а минимум значения принимается на алюминиевом стержне. После найденных результатов, определили величину внутреннего трения, где она оказалась максимальной на алюминиевом стержне, чем у стального стержня, значения которого приняли минимум.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21105. Фольклор, музика, побут за часів Київської Русі 18.83 KB
  Фольклор музика побут за часів Київської Русі. Культура часів Київської Русі не була явищем однорідним уніфікованим для всіх регіонів держави яка обіймала великі території від Чорного до Білого морів населені цілком різними племенами. Вельми показовою ілюстрацією розбіжностей у релігійних уявленнях населення різних регіонів Київської Русі може служити поховальний обряд який суттєво відрізнявся навіть у найближчих сусідів що складали етнічне ядро держави у полян та древлян. Протягом тисячолітньої історії християнства на Русі церква...
21106. Освіта за часів Київської Русі 16.49 KB
  Освіта за часів Київської Русі. Перші школи на Русі зявилися за часів великого князя Володимира Святославовича початок XI ст. Основою руської літературнописемної мови як вважають вчені стала говірка мешканців княжої столиці що перепліталася з говірками прибульців з інших земель Русі дружинників ремісників купців. Що до давньоруської живої мови то фахівці вважають що на території Русі існували кілька надплемінних територіальних діалектів.
21107. Література Київської Русі 20.63 KB
  Література Київської Русі. Великого значення і значного розвитку в культурі Київської Русі набуває література. У багатьох давньоруських творах дослідники знаходять риси пізніше характерні тільки для української живої мови при цьому самі ці твори часто неодноразово переписувалися в інших землях Київської Русі. Ним зумовлюється зміст більшості пам'яток літератури Київської Русі.
21108. Літописи доби Київської Русі 20.54 KB
  Літописи доби Київської Русі. До оригінальних пам'яток давньоруської літератури та історіографії відносяться літописи. У цілому давньоруські літописи становлять собою надзвичайно цінне історичне джерело з якого можемо дізнатися про деякі подробиці подій і процесів більше ніде не висвітлених. Однак у тексти літописних зведень часто вносилися зумовлені політичною кон'юнктурою зміни так що при зміні політичного курсу чи ситуації літописи повністю переписувалися інколи поспішно а подекуди можливо і грунтовно.
21109. Архітектура за часів Київської Русі 28.45 KB
  Тому одразу ж після хрещення Русі зявляються й перші церкви: Василівська побудована з дерева за зразком храму в Корсуні і Десятинна або Богородицька перша камяна церква у Києві. Подальші реставрації та ремонті роботи не врятували цього храму який порівняно скоро перетворився на купу будівельного брухту. Красу храму створювала гармонія його форми в цілому яка мала символізувати гармонію світобудови створеної з хаосу Божим Словом. Головним структурним елементом храму був його центральний купол що розташовувався на восьмикутному або...
21110. Образотворче мистецтво доби Київської Русі 25.17 KB
  Образотворче мистецтво доби Київської Русі. Розвиток живопису в Київській Русі цілком пов'язаний з поширенням християнства. Майстерність ювелірів що набула розквіту в добу Київської Русі зростала від важких і примітивних браслетів масивних перснів гривнів та намист із міді або сплетених зі срібного дроту до тонких ажурних прикрас оздоблених довершеною насічкою що передавала не лише прості візерунки а й складні сюжетні малюнки як наприклад знахідки з Чорної могили Чернігів X ст. Від часів зміцнення держави збільшується на Русі...
21111. Усна народна творчість, доби пізнього Середньовіччя (XIV – перша половина XVII ст.) 19.05 KB
  Значні світоглядні зрушення відбуваються в усній народній творчості. Розвиток народної творчості українців відбувався на основі давньоруських фольклорних традицій проте нові умови життя народжували й нові форми народної творчості. Натомість в обрядовій творчості зявляються насамперед у жнивних та обжинкових піснях соціальні мотиви та настрої які мають антифеодальне забарвлення.
21112. Освіта доби пізнього Середньовіччя (XIV - перша полови-на XVII ст.) 23.76 KB
  В Україні були протестантські школи в Дубні Хмельнику. Здебільшого рівень освіти в Україні якщо не враховувати протестантські заклади був початковим. Безпосередньо в Україні книгодрукування поширилося тільки у другій половині XVI ст. тут побачив світ Апостол перша друкована книга в Україні яка призначалася для церковнобогослужбового вжитку.
21113. Література і літописання XIV – першої половини XVII ст. 25.69 KB
  Література і літописання XIV першої половини XVII ст. зявляються також нові розширені версії перекладних повістей про Олександра Македонського Олександрія оповідання про Трою Бовукоролевича у XVI ст. До найзначніших літописів тієї доби слід віднести Короткий Київський літопис XIV XVI ст. Виробництво власного паперу в Україні почалося в Галичині тільки в першій половині XVI ст.