Материал: Э-29 2013_0
целому числу длин волн, также будет резонировать. Поэтому наименьшая разность длин l воздушных столбов газа, при которой возникает резонанс, равна
l = λ/2. |
(12) |
Отсюда |
|
λ = 2l. |
(13) |
При известной частоте звуковой волны ν |
|
υ = λv = 2νl. |
(14) |
При выполнении работы частота звуковой волны задается источником звука – звуковым генератором. Поэтому скорость распространения звука в воздухе можно найти непрерывно изменяя длину воздушного столба и отмечая разность между двумя последовательными максимумами звучания. Зная скорость звука в воздухе υt при данной температуре, можно вычислить скорость распространения звука в воздухе υ0 при температуре 0° С
υ0 |
|
|
υt |
|
, |
||
|
|
|
|
||||
1 |
αt |
||||||
|
|
|
|
||||
где α = 0,004 град-1 – температурный коэффициент объемного расширения воздуха.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка состоит из стеклянного сосуда с водой В, связанного шлангом R с стеклянной трубкой Т, который можно перемещать по стойке и устанавливать в заданном положении. Вода, перетекая из сосуда В в трубку Т и наоборот, изменяет свой уровень относительно шкалы прибора L. Роль преграды в установке играет по-
верхность воды в трубке, уровень которой изменяется в зависимости от |
|||||
|
|
|
|
|
того, на какой высоте находится сосуд с водой. |
T1 D |
|
|
|
|
В верхнее отверстие трубы вставлены наушни- |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
ки Т1, подключенные к выходу звукового гене- |
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ратора ЗГ. Мембрана наушников и является |
L |
|
|
|
|
источником звуковой волны. Воздушные зву- |
|
|
|
|
||
ЗГ |
B |
ковые волны, отражаясь от поверхности воды |
|||
|
|
||||
R |
|
|
|
|
при распространении в трубе Т, складываются |
|
|
|
|
|
с волной, излучаемой звуковым генератором, |
|
|
|
|
|
|
Рис.1 |
|
|
|
|
образуя стоячую волну. |
|
|
|
|
|
Перемещая сосуд вверх или вниз, доби- |
ваются такого |
|
|
|
|
положения сосуда, когда на длине воздушного |
|
|
|
|
||
столба, закрытого с обоих концов, укладывается целое число половин
6
длин волн. При этом возникает резонанс – то есть максимальное звучание воздушного столба, заключенного в трубу. Если столб воздуха будет открыт с одного из концов, то добиваются такого положения сосуда, при котором на открытом конце возникает пучность. Установка на ослабление (или усиление) звука производится на слух при помощи слуховой трубки D.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.Включить звуковой генератор в сеть и установить на частоте 2000 Гц напряжение 10 В.
2.Телефонный капсюль T1 плотно, чтобы образовался столб воздуха, закрытый с обоих концов, вставляется в верхний (открытый) конец трубы Т так, чтобы трубка D находилась в положении, удобном для прослушивания, и соединяется с выходом звукового генератора.
3.Закрыв кран, поднять сосуд В в крайнее верхнее положение.
4.Опуская сосуд В по рейке, в момент резкого усиления звука (резонанса) отметить координату х поверхности воды. Данные занести в таблицу 1.
5.Продолжая опускать по рейке сосуд В до крайнего нижнего положения, найти координаты всех последующих уровней поверхности воды, соответствующих резонансу, и отметить координаты уровней поверхности воды, записывая их в таблицу
1.
6.Найти расстояние l1 = x2 – x1; l2 = x3 – x2; l3 = x4 – x3 и т. д.; затем найти среднее значение lср и по (14) скорость звука в воздухе при температуре опыта.
7.Выполнить аналогичные измерения и расчеты, поднимая по рейке сосуд В до крайнего верхнего положения и вновь опуская до крайнего нижнего положения. Результаты занести в таблицу 1.
8.Аналогичные опыты и расчеты выполните для частот 3000 Гц и 4000 Гц. Результаты занесите в таблицы 2 и 3.
9.Найти по полученным данным среднее значение скорости звука при температуре опыта и по формуле (15) при 0 °С.
10.Оценить абсолютную и относительную погрешность измерения скорости звука.
7
Таблица №1
|
ν, Гц |
|
x1 |
|
x2 |
|
x3 |
|
x4 |
|
x5 |
|
l1 |
|
l2 |
|
l3 |
|
l4 |
|
lср |
|
υср |
υ0ср |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица №2 |
|||||
|
ν, Гц |
|
x1 |
|
x2 |
|
x3 |
|
x4 |
|
x5 |
|
l1 |
|
l2 |
|
l3 |
|
l4 |
|
lср |
|
υср |
|
υ0ср |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица №3 |
|||||
|
ν, Гц |
|
x1 |
|
x2 |
|
x3 |
|
x4 |
|
x5 |
|
l1 |
|
l2 |
|
l3 |
|
l4 |
|
lср |
|
υср |
|
υ0ср |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Какая волна называется стоячей волной? В чем состоит ее отличие от бегущей волны?
2.Показать, чему равно расстояние между соседними узлами, пучностями.
3.Показать, чему равно расстояние между соседними узлами и пучностями.
4.Какое явление называют потерей полуволны при отражении? Когда оно возникает? В каком случае волна не меняет фазы в месте отражения?
5.Каким образом возникает стоячая волна в используемой при выполнении работы экспериментальной установке? Объясните, как возникает акустический резонанс.
8
Учебное издание
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА
Методические указания к выполнению лабораторной работы Э-29 по курсу «Общая физика» для студентов всех специальностей
Составители
СИВОВ Юрий Александрович КОРОТЧЕНКО Константин Борисович
Отпечатано в Издательстве ТПУ в полном соответствии с качеством предоставленного оригинал-макета
Подписано к печати _____ ___ 2013. Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка».
Печать XEROX. Усл.печ.л. 9,01. Уч.-изд.л. 8,16.
Заказ . Тираж ____ экз.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет Система менеджмента качества
Томского политехнического университета сертифицирована
NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2008
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru
9