Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: На примере стоячей звуковой волны познакомиться с явлением интерференции звуковых волн и измерить скорость звука в газе.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: Виртуальная установка для определения скорости звука в газе.

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

Изучите теоретический материал по учебнику: волновые процессы; продольные и поперечные волны; уравнение бегущей волны; принцип суперпозиции; интерференция волн; стоячие волны; звуковые волны. Изучите теоретический материал: число степеней свободы молекулы; закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул; адиабатический процесс. Ознакомьтесь со схемой лабораторной работы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

1. Что такое волна? Плоская волна? Продольная? Поперечная?

2. Уравнение бегущей волны. Основные характеристики волны.

3. Что такое интерференция? Что такое стоячая волна?

4. Какие факторы влияют на скорость распространения волн в упругой среде?

5. Как связано положение приёмника с длиной резонатора и параметрами стоячей волны?

6. Что называется адиабатическим процессом? Каким образом связаны давление и объём газа при адиабатическом процессе? Изобразите график адиабатического процесса в координатах давление – объём (Р – V).

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Если в некоторой точке упругой среды возбудить колебания, то наблюдается их распространение в этой среде со скоростью, зависящей от упругих свойств среды. Каждая частица (молекула) среды повторяет колебание соседней, но с некоторым запаздыванием по фазе. Связь между смежными участками среды осуществляется силами упругости, которые возникают вследствие деформации среды при её колебаниях. Процесс распространения колебаний в сплошной упругой среде называется механическим волновым процессом или упругой (механической) волной.

Звуковыми, или акустическими, волнами называют упругие волны малой интенсивности, т.е. слабые механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде.

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru Рис. 1. Формирование волны сжатия
Не только скорость, но и характер волны зависит от упругих свойств среды. В жидкостях и газах силы упругости проявляются при деформациях всестороннего сжатия и растяжения. Эти деформации и распространяются в виде продольных волн (частицы колеблются вдоль направления распространения волны). В отличие от газов, в твёрдых телах наряду с продольными, могут распространяться поперечные волны (частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны).

На рис. 1 приведена схема формирования волны сжатия. Поршень - (а), резко сдвинувшийся в трубе в направлении стрелки, смещает соседние частицы воздуха, создает волну сжатия, которая начинает удаляться от поршня; волна - (б) движется в воздухе с постоянной скоростью Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , вызывая на своем пути временное повышение давления.

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Рис. 2. Схема бегущей волны в трубе
Звуковые волны создаются колеблющимися телами (например, диффузором в громкоговорителях, колоколами и т.п.). На рис. 2 приведена схема создания продольной бегущей волны в газе колеблющимся поршнем.

Зависимость смещения поршня Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru от времени описывается гармоническим уравнением:

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , где Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - смещение от положения равновесия (в данном случае это расстояние от точки Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru ), Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - амплитуда, Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - циклическая частота, Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - период колебаний. Приближенно можно считать, что с такой же амплитудой будут колебаться молекулы воздуха.

Рис. 3 «Моментальные фотографии» бегущей волны в моменты времени t и (t+Δt)
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru
Если в бесконечной протяженной однородной среде в некоторой точке поместить источник колебаний, то в ней будет распространяться одна - единственная волна, бегущая. В зависимости от расстояния до источника волн Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , частицы среды в одно и то же время будут находиться на разных расстояниях от положения равновесия (рис. 3).

Плоская бегущая волна, распространяющаяся в положительном направлении оси x, описывается уравнением

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , (1)

где Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - расстояние до источника волны, Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - волновое число.

Волновое число можно выразить через фазовую скорость волны, учитывая, что длина волны Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru частота Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru и скорость Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru связаны соотношением:

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , получим - Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru .

Если упругая волна возбуждается в ограниченном пространстве, и она может отражаться от границ, возникают так называемые стоячие волны.

Стоячая волна – это результат интерференции двух волн одинаковой амплитуды, фазы и частоты, бегущих одна в прямом, а другая – в обратном направлении. В стоячей волне на определенных расстояниях от источника волны образуются максимумы (пучности) и минимумы (узлы). В пучностях амплитуды колебаний частиц наибольшие, а в узлах равны нулю.

Амплитуда в пучностях стоячей волны равна удвоенной амплитуде каждой из волн. Поскольку интенсивность волны пропорциональна квадрату ее амплитуды, это означает, что интенсивность в пучностях в 4 раза больше интенсивности каждой из волн или же в 2 раза больше суммарной интенсивности двух волн. Здесь нет нарушения закона сохранения энергии, поскольку в узлах интенсивность равна нулю.

Плоская бегущая волна, распространяющаяся в отрицательном направлении - уравнением

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru (2)

Складывая почленно уравнения (1) и (2) и, преобразуя результат по формуле суммы косинусов, получим:

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru (3)

где Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - амплитуда колебаний в стоячей волне.

Уравнение (3) является уравнением стоячей волны. Из него следует, что колебания любой частицы среды в стоячей волне совершаются с той же частотой, что и в исходных плоских волнах. Однако амплитуда колебаний различных частиц неодинакова, она зависит от координаты x. В то время как амплитуда колебаний частиц в бегущей волне (в не поглощающей среде) не зависит от расстояния.

В пучностях амплитуда максимальна, поэтому выполняется соотношение:

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , где Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru (4)

Из соотношения (3) можно получить координаты пучностей:

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru (5)

где Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - номер пучности.

В узлах справедливо выражение:

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru (6)

Частицы среды, находящиеся в узловых точках, не совершают колебаний. Координаты узловых точек определяются соотношением

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru (7)

Из формул (5) и (7) следует, что расстояние между соседними пучностями, также как и расстояние между соседними узлами, равно половине длины волны, следовательно, длина бегущей волны Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru в два раза больше длины стоячей волны Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru :

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru . (8)

Выражение Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru в формуле (3) при переходе через нулевое значение меняет знак. Это означает, что фаза колебаний частиц среды, разделенных узловой плоскостью, отличается на Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru . Все частицы среды, находящиеся между соседними узловыми плоскостями, совершают колебания в одинаковой фазе, но с различными амплитудами.

Распространение упругих волн в среде не приводит к переносу массы и происходит без теплообмена с окружающей средой. Такие процессы называют адиабатическими.

Адиабатический процесс описывается уравнением Пуассона:

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , (9)

где Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - давление, Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - объем, Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - показатель адиабаты:

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , (10)

где Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru и Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - молярные теплоёмкости идеального газа, определяемые соответственно при постоянном давлении и постоянном объёме.

Если величины Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru и Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru в равенстве (10) выразить через количество степеней свободы молекул газа Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru то можно показать, что

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru . (11)

В данной лабораторной работе для опытного определения величины Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru используется метод бегущих звуковых волн. При распространении звуковой волны в воздухе в каждой области воздушной среды происходят периодические процессы расширения и сжатия. Для типичных звуковых частот (20 Гц - 20 кГц) эти процессы происходят так быстро, что смежные области воздуха не успевают обмениваться теплом. Это означает, что указанные процессы происходят без теплообмена и, следовательно, их можно считать адиабатическими.

На основе анализа волнового уравнения для звуковой волны можно показать, что фазовая скорость её распространения u следующим образом зависит от абсолютной температуры Т:

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru, (12)

где Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - молярная масса газа (кг/кмоль), R = 8,3.103 Дж/кмоль.К -универсальная газовая постоянная.

Порядок выполнения работы

Рис 4. Схематическое изображение установки для определения скорости звука
Описание установки моделирующей стоячие волны в газе.

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru В длинной трубе (рис. 4) на торцевой поверхности размещается неподвижный источник звука (1) и подвижный поршень (2) с микрофоном. Поршень можно перемещать с помощью рычага (3). После включения генератора возбуждаются бегущие плоские волны, которые отражаются от поршня. Первичная волна и отраженная от поршня накладываются. Меняя положение поршня можно найти такое положение, при котором расстояние между поршнем и источником будет совпадать с положением пучности или узла стоячей волны.

Порядок измерения длины стоячей волны.

1. На рабочем столе установки выставляем рабочие параметры: тип газа, частоту генератора Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , температуру и давление (по рекомендации преподавателя). Применить.

2. Включаем генератор клавишей Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru в левом верхнем углу рабочего стола.

3.

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru Рис. 5. Изображение измерительного модуля рабочего стола установки
Наведя курсор на ручку поршня (3, рис. 4), удерживая нажатой левую клавишу «мышки» смещаем (плавно) приемник влево или вправо и наблюдаем за показаниями вольтметра (рис. 5). Чтобы определить положение пучности стоячей волны нужно добиться такого положения поршня, чтобы показания вольтметра были наибольшими. В узлах показания будут минимальными. ВНИМАНИЕ! Длина экспериментальной трубки такова, что для разных частот можно наблюдать разное количество пучностей и узлов.

4. Передвигая поршень по длине трубы, определяем положения пучностей или узлов и заносим их координаты в лабораторный журнал (в таблицу). Длина стоячей волны будет равна расстоянию между соседними пучностями.

5. Для более точного определения длины стоячей волны Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru пользуются выражением: Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru (13)

где Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - длина резонатора, соответствующего пучности с номером Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru .

Воспользуемся формулами (1) и (8) получим выражение для скорости звука в газе: Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru . (14)

ЗАДАНИЕ 1. Исследование зависимости скорости звука от частоты.

1. По рекомендации преподавателя выберите тип газа, давления и температуру. Проведите измерения положения пучностей стоячих волн для 4-5 частот. Занесите в таблицу 1.

2. Вычислите скорость звука для выбранных частот.

3. Постройте график зависимости скорости звука от частоты. Проанализируйте полученный результат и запишите вывод.

  Форма таблицы для измерения скорости звука Таблица 1.
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , К Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , с-1 Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , м Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , м Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , м Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru , м/с
      1.      
2.  
3.  
4.  
      1.      
2.  
   
   
                 

Примечания: Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - номер частоты, Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru - номер пучности.

4. Вычислите абсолютную погрешность Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru измерения скорости звука для одной частоты. Запишите результат в форме:

Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗЕ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ - student2.ru .

ЗАДАНИЕ 2. Исследование зависимости скорости звука от давления.

1. По заданию преподавателя выберите одну частоту и тип газа.

2. Проведите эксперимент для комнатной температуры.

3. Результаты оформите в виде таблицы аналогичной таблице 1.

4. Постройте график зависимости скорости звука в газе от давления. На графике укажите границы доверительного интервала.

ЗАДАНИЕ 3. Исследование зависимости скорости звука от температуры газа.

1. Выберите тип газа - воздух. Задайте значение частоты и давления.

2. Проведите измерения скорости звука при температурах воздуха: 0 С, 200 С, 400 С, 600 С, 800 С.

3. При каждой температуре, плавно изменяя длину резонатора, последовательно пройдите через все доступные точки (3-5) пучностей. Проведите измерения, сначала увеличивая длину резонатора, а затем уменьшая ее.

4. Постройте график зависимости скорости звука в газе от температуры. На графике укажите границы доверительного интервала.

5. Проанализируйте полученный результат.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Могут ли в газах распространяться поперечные волны? Почему?

2. Может ли звук распространяться в разреженном газе? Обоснуйте.

3. Какова предельная частота звука, который распространяется в газе?

4. Как связана скорость звука в газе с его плотностью и давлением?

5. Скорость звука зависит от молекулярного веса газа. С какой скоростью будет распространяться звук в смеси двух газов?

6. Какой процесс называется адиабатическим? Почему процесс распространения звука в воздухе можно считать адиабатическим?

7. Вычислите теоретическое значение скорости звука по формуле (12) в том газе с которым выполняли Задание 1.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основная литература.

1. Трофимова, Т. И. Курс физики: учеб. пособие для инж.-тех. спец. вузов/ Т. И. Трофимова. - 17-е изд., стер. – М.: Академия, 2008. - 560 с.

https://fktpm.ru/get_file/7sTuW

Наши рекомендации