Определение скорости звука в воздухе методом стоячей волны

Практическая работа №1.1

Цель: с помощью метода, основанного на свойствах стоячей волны, определить скорость распространения звука в воздухе.

Оборудование: осциллографа, звуковым генератором, прибор, при помощи которого определяется скорость звука в воздухе

Краткие теоретические сведения:

В качестве источника теоретических сведений, необходимых для выполнения данной работы, используйте учебник В. А. Касьянова «Физика 10 класс. Профильный уровень», §§71-74.

Описание установки и метода измерений:

Стоячие звуковые волны можно наблюдать при распространении звука в длинной узкой трубе с гладкими стенками. Если диаметр трубы мал по сравнению с длиной звуковой волны, то звуковая волна распространяется в основном вдоль осп трубы. На концах трубы происходит отражение звуковой волны, причем характер отражения, т. е. изменение фазы волны при отражении, зависит от того, закрыт ли конец твердой стенкой или открыт. В частности, фаза звукового давления при отражении от твердой стенки не изменяется, а фаза смещения изменяется на противоположную, а при отражении от открытого конца наоборот. Следовательно, у закрытого конца будут находиться узел смещения и пучность давления. В обоих случаях возникает отраженная от концов трубы волна, которая складывается с падающей волной, и в трубе может возникнуть стоячая волна, но заметной интенсивности она достигает лишь при некотором соотношении между длиной трубы и длиной волны.

Так, для трубы, открытой с одной.стороны и закрытой твердой стенкой с другой, необходимо, чтобы на длине трубы L укладывалось нечетное число l/4, т. е. . При этом выполняются условия отражения на концах: на открытом конце возникает узел давления, у твердой стенки – пучность давления, а время распространения волны от источника до стенки и обратно равно , т.е. нечетному числу полупериодов колебаний (T = l/u).

Итак, стоячая волна с заданной длиной волны возникает лишь в трубе определенной длины.

Нахождение скорости звука методом стоячей волны заключается в том, чтобы каким-нибудь способом определить положение пучностей в стоячей волне и измерить расстояние а между двумя соседними пучностями. Из формулы (3) следует, что а = l/2 (такое же расстояние между соседними узлами). Тогда скорость будет равна

, (1)

где частота колебанийисточника.

На рис. 1 изображен прибор, при помощи которого определяется скорость звука в воздухе. Он состоит из стеклянной трубы 1 с подвижным поршнем 2 со штоком 3. Трубка жестко укреплена на доске 4. Снаружи трубы параллельно ее оси прикреплена линейка, по которой можно определять положение поршня в трубе. Источником звука является телефонный наушник 6, помещенный на конце трубы. На него подается синусоидальный электрический сигнал звуковой частоты, вырабатываемый генератором (Г) сигналов звуковой частоты. Генератор позволяет регулировать частоту электрического сигнала и его амплитуду, следовательно, частоту и амплитуду звукового давления.

Рис.1

Индикатором звукового давления служит также телефонный наушник 7, вмонтированный в поршень 2. Сигнал с индикатора подается на осциллограф ЭО, с помощью которого можно судить о величине амплитуды колебательных процессов.

При перемещении поршня в трубе он будет последовательно занимать такие положения, при которых образуется заметная стоячая волна. Как указано выше, при этом у поршня будет пучность звукового давления, сигнал на осциллографе будет максимален. Если ℓ ₁ и ℓ ₂, отмеченные по линейке, – два таких положения, то ℓ ₂ – ℓ ₁ = а, а скорость звука в воздухе с учетом (1)

.(2)

Задание: Ознакомьтесь с принципом действия осциллографа.

Экспериментальная часть:

1. Не включая установки, рассмотреть все основные узлы и детали установки, схему их соединения, а также ручки регулятора управления звуковым генератором и осциллографом.

2. Включить звуковой генератор в сеть и установить частоту 2000Гц (переключатель «Множ.» при этом установить в положение 100). Регулятором громкости генератора установить приемлемую громкость звука.

3. Включить электронный осциллограф. Ручку «Усиление по горизонтали» повернуть против часовой стрелки до отказа.

4. После появления изображения сигнала на экране осциллографа ручками «Смещение по Х» и «Смещение по Y» добиться расположения этого изображения в центре экрана осциллографа.

5. Поместить поршень вплотную к мембране.

6. Медленно перемещая поршень и наблюдая за амплитудой сигнала на экране осциллографа, найти два таких последовательных положения поршня, при которых амплитуда сигнала максимальна. Отметить эти положения поршня по линейке (ℓ ₁ и ℓ ₂). Измерения ℓ ₁ и ℓ ₂ провести не менее 5 раз.

7. Повторить измерения для частот 2500 и 3000 Гц.