Теория метода и описание установки

Цель данной работы заключается в определении скорости распространения звука в воздухе. Звуком называются упругие колебания, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах, и воспринимаемые человеческим ухом. Нижней границей частоты звука является частота 16-20 Гц, верхней – 16000 -20000 Гц. Волны с частотами ниже 16 Гц называются инфразвуком, выше 20000 Гц – ультразвуком. Так как звуковые волны в воздухе – это продольные волны, то скорость их распространения определяется формулой (3). Опытно можно определить скорость звука по методу Квинке, или методу стоячей волны.

Для осуществления эксперимента применяется прибор, изображенный на рисунке.

Если поместить звучащий камертон у открытого конца трубки с водой, то колебания камертона передаются частицами воздуха, прилегающим к поверхности камертона, а затем соседним частицам, распространяясь вдоль всего столба воздуха с той же частотой, что и колебания камертона. Рассматривая мгновенную картину колебаний ножки камертона, увидим, что при движении ножки в какую-либо сторону перед ней образуется сжатие воздуха и, следовательно, повышенное давление, а позади нее – разрежение воздуха и пониженное давление. Эти колебания плотности воздуха распространяются в пространстве с определенной скоростью, образуя продольную звуковую волну. Частицы воздуха, прилегающие к камертону, колеблются по закону . Точка, находящаяся на расстоянииот камертона, будет совершать такое же движение с отставанием по времени на величину:. Когда бегущая волна достигает поверхности воды, то происходит отражение волны. Отраженная волна проходит от камертона до поверхности воды и обратно до точкипуть, где- длина воздушного столба:. Наложение волн даст стоячую волну:. В узлах амплитуда равна нулю:. Первый узел образуется при,, т.е. на поверхности воды. Координаты пучностей определяются из условия:. Первая пучность образуется при, т.е. на расстоянииот поверхности воды. Расстояние между соседними пучностями или соседними узлами определяется по формуле(4). Зная расстояние между соседними пучностями или узлами, а также частоту звуковой волны, равную частоте камертона, можно определить скорость звука по формуле(5).

Измерения и обработка результатов измерений

1. Устанавливают уровень воды около открытого конца.

2. Приводя в звучание камертон ударом резинового молотка, располагают его перед открытым концом трубы. Первый узел, образовавшийся в столбе воздуха, находится на поверхности воды.

3. Увеличивая длину столба воздуха, замечают усиление (ослабление) звука. Это означает, что в открытом конце трубы в данный момент расположилась пучность (узел) стоячей волны. Отмечают положение уровня воды по линейке.

4. Опускают уровень воды до следующего усиления (ослабления) звука, до следующей пучности (узла) в открытом конце трубки. Отмечают это положение.

5. Таким же путем находят следующую пучность (узел). Расстояние между соседними пучностями (узлами) .

6. Расстояние между пучностями (узлами) нужно проверить не менее пяти раз и найти среднее значение , тогда.

7. Зная частоту камертона, определяют скорость звука в воздухе по формуле (5):

8. Определяют доверительный интервал , где- определяется по таблице коэффициентов Стьюдента, значениезадается преподавателем.

9. Записывают окончательный результат в виде: .

10. Сравнивают полученный результат с теоретическим, полученным по формуле (3) (для воздуха ).