Методические указания к выполнению лабораторных занятий по дисциплине «физика» Алмалык 2020

Метод и экспериментальная установка

В основу экспериментального определения скорости звука заложена связь между скоростью, длиной волны и частотой

v=.

Схема экспериментальной установки показана на рис.5.2. Она состоит из звукового генератора ЗГ, телефона, установленного у открытого конца стеклянной трубки, в которой образуются звуковые стоячие волны. В трубке находится подвижный поршень. Перемещая поршень, можно изменять длину воздушного слоя в ней.
Звуковой генератор вырабатывает синусоидальный переменный ток, частоту которого можно плавно изменять в пределах от 0 до 15000 Гц. Этот ток, протекая по катушке телефонной капсулы, заставляет колебаться мембрану. Звуковая стоячая волна образуется из звуковой волны идущей от телефона, и волны, отраженной от поверхности поршня. При некоторых условиях в трубке возникает акустический резонанс, при котором звучание воздушного столба в трубке максимально.
Резонанс – это явление резкого возрастания амплитуды вынуж­денных колебаний системы при приближении частоты внешней силы, вызывающий вынужденные колебания, к какой-либо из частот собственных колебаний системы. Собственная частота колебаний определяется только параметрами столба.
При акустическом резонансе колебания воздушного слоя в трубке достигает максимальной амплитуды, т.е. когда частота колебаний мембраны (внешняя, вынуждающая сила) совпадает с собственной частотой колебаний воздушного слоя.
Собственная частота воздушного слоя в трубке зависит только от его длины l и определяется выражением
=(2n–1)v/4l, (5.5)
где n – целое положительное число (n=1,2,3...), а v – фазовая скорость волн в воздухе.
Из уравнения (5.5) найдем длину воздушного слоя, которая соответствует условию резонанса при заданной частоте вынуждающей силы
l=(2n–1)v/4.
Поскольку v/=, то l=(2n–1)/4, т.е. в условиях резонанса на длине воздушного слоя должно укладываться нечетное число четвертей волн (при n=1, l=/4; n=2, l=3/4 и т.д.). Так как в воздушном слое образуется стоячая волна, то на границе поршня должен быть узел, поскольку частицы воздуха у поверхности жидкости неподвижны, а у открытого конца “пучность”.
При движении поршня в трубке изменяется длина воздушного слоя и интенсивность его звучания. Зная частоту колебаний мембраны , задаваемую с помощью генератора, и измерив по линейке расстояние l между поршнем и телефоном, соответствующее двум последующим усилениям звука, можно рассчитать скорость звука по формуле v=2l. Усиление звука можно регистрировать на слух.