Определение скорости звука в воздухе

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Приборы и принадлежности: прибор Квинке, звуковой генератор, источник зву­ка.

Звук представляет собой колебания с частотой от 16 Гц до 20 кГц, распростра­няющиеся в упругой среде с некоторой скоростью, характерной для этой среды. Ско­рость звука в воздухе в зависимости от температуры можно рассчитать по формуле:

, (1)

где v₀ – скорость звука в данном газе при температуре 0°С,

a – коэффициент расширения газов (с достаточной степенью точности можно счи­тать a = 0,004 град^–1).

Расстояние, на которое распространяется звуковая волна за время, равное периоду колебаний, называется длиной волны. Длина волны, скорость ее распространения v и период колебаний (или частота) связаны соотношением:

,

откуда

. (2)

Соотношение (2) используется в работе для определения скорости звука интерференци­онным методом в форме, предложенной Квинке. Звуковые волны разделяются на две части, которые проходят пути различной длины, получают некоторую разность хода; затем обе части сводят вместе и наблюдают их интерференцию.

Описание экспериментальной установки

Схема установки для определения скорости звука методом интерференции приве­дена на рис.1. Звуковая волна создается с помощью радионаушника Т, питаемого от звукового генератора ЗГ (1). Радионаушник Т помещен в ящик (2), изготовленный из фанеры и наполненный ватой. По резиновой трубке звуковая волна идет от наушника в прибор Квинке (3) для наблюдения интерференции звуковых волн.

Прибор Квинке состоит из двух трубок А и В. Трубка А постоянной длины. Труб­ка В может частично вдвигаться в трубку А, неподвижно закрепленную на подставке. Увеличение длины трубки В отмечается по шкале S. Звуковая волна, идущая от источ­ника звука Т, входит в отверстие С, разделяясь на две: одна волна распространяется в направлении трубки А, другая – в направлении трубки В. Встречные волны накладываются друг на друга и интерферируют, т.е. образуют на всем протяжении трубок А и В картину устойчивых max и min интерференции.

Если разность длины трубок А и В (т.е. разность хода волн d ), полученная уве­личением длины трубки В, составляет нечетное число полуволн, т.е.

, (3)

то в области С₁ прибора наблюдается минимум интенсивности звука. Установка прибо­ра на минимум интенсивности звука в области C₁ производится непосредственно на слух, для чего на отверстие C_i надевается слуховая трубка (стетоскоп).

Порядок выполнения работы

1. Включаем звуковой генератор, которым задается определенная частота n. Частота, устанавливаемая на генераторе, выбирается в диапазоне 2000–3500 Гц.

2. Трубка В постепенно выводится до тех пор, пока не будет обнаружен первый мини­мум интенсивности звука. При этом берется соответствующий отсчет n₁ по шкале S. Согласно уравнению (3) разность хода звуковых волн в трубках А и В будет

. (4)

3. Смещение трубки В продолжается до обнаружения второго минимума интенсивно­сти звука. При этом по шкале S берется отсчет n₂. Соответствующая разность хода звуковых волн

. (5)

Так как смещение указателя на (n₂ – n₁)см означает увеличение разности хода на 2(n₂ – n₁)см, то из (4) и (5) получаем:

.

4. По формуле (2) определяем скорость звука v_t при комнатной температуре. Темпе­ратура опыта измеряется по настенному термометру в лаборатории.

5. Аналогичные опыты повторяют на других частотах.

6. Вычисляют среднее значение .

7. По формуле (1), зная среднее значение , вычисляют скорость звука в воздухе при 0°С, т.е. v₀. Сравнивают полученный результат со справочными данными.

8. Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу.

n, Гц	n1, м	n2, м	, м	vt, м/с	, м/с	v0, м/с

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой звук? Укажите физические характеристики звука.

2. Перечислите характеристики слухового ощущения и укажите, как они связаны с фи­зическими характеристиками звука.

3. Ультразвук. Инфразвук.

Литература

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – § 5.2.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1997. – §§ 158, 160.

3. Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981. – §§ 57, 58, 65.

Лабораторная работа № 5