Описание экспериментальной установки и выполнение работы

Установка (рис. 11.5) состоит из прозрачной (из оргстекла) трубы, в правом конце которой установлен излучатель – телефон (Т). На телефон подается сигнал от звукового генератора ЗГ. Приемник – электромагнитный катушечный микрофон (М), помещен на поршне, являющимся левым подвижным концом трубы. Поршень закреплен на подвижном стержне (штоке) с ручкой, положение которой можно отмечать по шкале. Выход микрофона соединен со входом INPUT Y канала вертикального отклонения электронного осциллографа (ЭО) .

Рис. 11.5. Схема экспериментальной установки.

2. Ознакомьтесь с описанием передней панели осциллографа, закрепленной на рабочем столе, затем включите питание (ON/OFF) осциллографа. После появления луча ручками вертикального и горизонтального смещений (POSITION) выведите его в центр экрана. Отрегулируйте яркость (INTEN) и фокусировку (FOCUS) луча, чтобы сделать его более тонким.

3. Включите генератор. Множитель частоты на генераторе поставьте в положение «10²», установите частоту выходного сигнала не более 2000 Гц, диапазон выходного сигнала (напряжение) – «3 V», амплитуду сигнала 1 В.

4. Вращением ручки VOLT/DIV выберите коэффициент вертикального отклонения, соответствующим амплитуде сигнала. Вращением ручки TIME/DIV выберите коэффициент развертки, наиболее соответствующим частоте сигнала. Ручкой POSITION добейтесь совпадения начала развертки сигнала с левым краем шкалы экрана. Небольшими изменениями частоты генератора добейтесь появления на экране четкой синусоиды. Для этого ручкой LEVEL осциллографа дополнительно отрегулируйте уровень запуска синхронизации. Измерьте период колебаний по сетке на экране осциллографа. Для этого горизонтальное расстояние (в делениях) между соответствующими точками экрана умножьте на значение, установленное переключателем TIME/DIV.

4. Установите шток поршня в крайнее правое положение, соответствующее минимальной длине трубы. Передвигая шток влево, получите на экране первый максимум сигнала микрофона, соответствующий первой пучности давления.Положение ручки штока x₁ внесите в табл. 11.1.

Таблица 11.1

n =                               ( до 2000 Гц)
xi, см	x1	x2	x3	x4	…
∆xi, см	∆x1	∆x2	∆x3	∆x4	…
n =                 (от 2500 до 3000 Гц)
xi, см	x1	x2	x3	x4	…	x6
∆xi, см	∆x1	∆x2	∆x3	∆x4	…

5. Передвигайте шток влево, при появлении на экране следующих максимумов (пучностей) сигнала занесите положение ручки штока по шкале x₂, x₃, и т.д. в табл. 11.1.

6. Повторите измерения с другой частотой – от 2500 до 3000 Гц.

7. Установите ручку штока в положение, в котором была зарегистрирована первая пучность (с минимальной длиной трубы) для первой частоты  (частоты основного тона) до 2000 Гц и повторите ее получение. Получите значение еще двух собственных частот  (обертонов) трубы данной длины. Увеличивайте частоту звука и записывайте в тетрадь значения частот, при которых на экране осциллографа снова будет заметно усиление сигнала. При малой амплитуде сигнала на экране ее следует увеличить ручкой VOLT/DIV выбора коэффициента вертикального отклонения или увеличением амплитуды сигнала генератора. Найдите отношения частот обертонов к частоте основного тона и сравните их с целыми числами.

8. Запишите значение температуры воздуха в лаборатории.

9. Для каждой из двух частот вычислите разности Dx₁= x₁ – x₂, Dx₂= x₂ – x₃ и т.д. Определите средние значения

,                (11.40)

и длину звуковой волны

.                        (11.41)

10. По формуле (11.39) для каждой из частот определите скорость звука .

11. Определите среднее значение скорости  и погрешность измерений.

12. Определите значение показателя адиабаты g с помощью формулы (11.24). Полученное значение g сравните с теоретическим значением для двухатомного газа (основную часть воздуха составляют азот N₂ и кислород O₂)

,                                    (11.42)

где  - число степеней свободы.

Контрольные вопросы

1. Свойства звуковых волн.

2. Устройство телефона и микрофонов.

3. Уравнение, свойства и скорость звуковых волн в газе.

4. Граничные условия для закрытой трубы и свойства стоячих волн.

5. От чего зависит показатель адиабаты g ? Зависит ли g от Т?

6. Как определяется число степеней свободы для газов (для воздуха)?

ПриложениЕ I. ТАБЛИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Таблица 1