Лабораторная работа № 117(1)

Определение скорости звука в воздухе методом звуковых стоячих волн

Цель работы — изучить способы измерения длины звуковой волны и определения коэффициента Пуассона.

 

Описание установки и вывод расчетной формулы

Поскольку процесс распространения звуковых волн является адиабатическим, для скорости звука в газах получаем формулу:

(1.30)

где  — коэффициент Пуассона;

 — универсальная газовая постоянная;

 — термодинамическая температура, взять 293 К

 — молярная масса, кг/К·моль.

Отсюда получаем:

(1.31)

,

т. е. измерив скорость звука, можно определить коэффициент Пуассона газа.

Для определения скорости звука в воздухе ( = 29 кг/К·моль) используется метод звуковых стоячих волн.

Лабораторная установка представляет собой трубку водяного органа. В её верхней части расположен микрофон, соединенный со звуковым генератором, возбуждающим звуковую волну постоянной частоты =1420 Гц.

Нижний конец трубки соединен с резервуаром с водой. Давление в резервуаре нагнетается с помощью ручного насоса, в связи с чем будет изменяться уровень воды и высота воздушного столба в трубке органа.

В результате интерференции падающей волны и волны, отраженной от поверхности воды, в воздушном столбе образуется стоячая звуковая волна. По уровню звука в наушниках можно определить, пучность или узел стоячей волны расположен в месте установки микрофона при данной высоте воздушного столба. Высоту столба измеряют по линейке.

(1.32)

Расстояние между соседними пучностями стоячей волны определяется из равенства:

.

(1.33)

Таким образом:

(1.34)

;

Порядок выполнения работы

1. Включить генератор и регулятором выходного напряжения добиться негромкого звучания в наушниках.

2. Медленно нагнетая давление в резервуаре, добиться максимально возможного уровня воды в трубке.

П р е д у п р е ж д е н и е: Уровень воды должен находиться ниже микрофона на 5 см.

Табл. 1.14.

3. Дождаться, когда уровень воды начнет медленно опускаться и отметить те высотные положения, при которых звук в наушниках будет максимален. Снять положения пяти максимумов. Испытания по п. (3) повторить три раза и их результаты занести в табл. 1.14

 

№ пучности	Отсчет положений пучности, см
	1	2	3
1	51	51	51
2	39,5	40	39
3	27,5	27,5	27
4	15	16	15,5
5	6	5,5	6

 

4. По результатам измерений определить положение  пучности .

5. По формуле  определить четыре различных значения длины волны.

6. По формуле  определить четыре значения скорости звука в воздухе.

7. Определить среднее значение  и погрешности  по методу Стьюдента, записать ответ в виде

8. Для среднего значения  определить коэффициент Пуассона по формуле (1.31) и сравнить его с теоретическим значением для воздуха γ _T   = 1,4.

 

Контрольные вопросы

1. Какова цель лабораторной работы?

2. Обоснуйте используемый способ измерения физической величины.

3. Выведите расчетные формулы.

4. Как определить погрешность измеряемой величины?

5. Как образуются стоячие волны?

6. В чем состоит явление звукового резонанса, когда оно наблю- дается?

7. Почему у поверхности воды всегда наблюдается узел стоячей волны?

8. В чем состоит отличие между стоячими и бегущими волнами?

9. Могут ли распространяться волны поперечных колебаний в твердом теле, жидкости или газе? Почему?

10. Почему процесс распространения звуковых стоячих волн можно считать адиабатическим?