Лабораторная работа №8/2 определение отношения удельных теплоемкостей воздуха

ИЗУЧЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН В ВОЗДУХЕ

В звуковой волне, распространяющейся в газах, вследствие кратковременности процессы сжатия–разрежения происходят адиабатически, без теплообмена. Поэтому скорость звука зависит от показателя адиабаты :

, (1)

где – универсальная газовая постоянная; – абсолютная температура; – масса моля газа; и – теплоемкости газа при постоянном давлении и объеме соответственно. На использовании формулы (1) основан акустический метод определения показателя адиабаты:

Скорость звука можно определить по длине волны и ее частоте:

. (3)*

Для определения длины звуковой волны можно использовать метод стоячих волн. Стоячая волна образуется при интерференции двух когерентных волн, распространяющихся навстречу друг другу, например бегущей волны и волны, отраженной от границы раздела сред. В этом случае волны имеют одинаковую частоту и направление колебаний частиц среды и постоянную во времени разность фаз, т.е. когерентны. В результате интерференции прямой и обратной волн возникает стоячая волна. Колебания частиц среды будут происходить по закону

где сомножитель показывает, что частицы среды совершают колебания с той же частотой, что и источник.

Выражение является амплитудой колебаний частиц в стоячей волне. Как видно, амплитуда колебаний частиц различна. Точки, где амплитуда колебаний достигает максимума , называют пучностями стоячей волны. Точки, где амплитуда колебаний равна нулю, называют узлами стоячей волны. Расстояние между двумя соседними узлами или между двумя соседними пучностями, как видно из выражения для амплитуды стоячей волны, равно половине длины волны.

Среда, в которой возникла стоячая волна, разделена узлами на участки, в каждом из которых частицы совершают колебания в одной фазе. Если на одном участке сжатие через полпериода сменяется разрежением, то в соседней пучности — наоборот.

Рис. 1

В работе стоячую звуковую волну создают в столбе воздуха между телефоном (динамиком) Т и микрофоном М внутри стеклянной трубы. При этом должно выполняться условие: расстояние между Т и М должно быть кратно половине длины волны:

Это обусловлено тем, что около телефона и микрофона может возникнуть только узел смещения частиц воздуха в стоячей волне (рис. 1).

Описание установки

Рис.

Выполнение работы

2. Включить генератор. Установить частоту генератора в пределах 800…1600 Гц. Для этого ручку переключателя диапазонов поставить в положение х10², переключателями частоты установить 8…16. Должен быть слышен звук. При необходимости увеличить напряжение на выходе.

3. Записать установленную частоту в таблицу. Оценить погрешность .

4. Включить осциллограф. Переключателем «Частота» добиться развертки. Переключатель «Усиление» – в положение «max». На экране должна быть видна осциллограмма электрических колебаний от микрофона.

5. Перемещая микрофон от телефона, отметить не менее четырех координат, при которых наблюдается усиление звука, высота изображения на экране осциллографа максимальна. Оценить погрешность измерения .

Опыт повторить не менее трех раз при других частотах с шагом 200…500 Гц, результаты опытов записать в таблицу. Форма отчета приведена в приложении. Измерить температуру воздуха по термометру лаборатории: .

Таблица

= … К = 28,910–3 кг/моль = 8,31 Дж/(мольК)
, Гц	, м, k = 1	, м, k = 2	, м, k = 3	, м, k = 4	, м	, м/с	, м/с	, (м/с)2