Описание метода и экспериментальной установки

Лабораторная работа 2.3.

Определение отношения теплоёмкостей воздуха
при постоянном давлении

и постоянном объёме резонансным методом.

Библиографический список

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1985.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1988. Т. 1.

Цель работы: определение отношения теплоёмкостей на основе изучения процесса распространения звуковой волны и измерения резонансным методом скорости звука при различных температурах воздуха.

Приборы и принадлежности: установка ФПТ 1-7

Описание метода и экспериментальной установки

Рассмотрим звуковую волну, распространяющуюся в газе вдоль закрытого канала. В предположении, что процесс распространения волны является адиабатическим, выражение для определения скорости звука в газе (формула Лапласа) имеет вид

Из формулы Лапласа следует

Таким образом, для определения отношения теплоёмкости g достаточно, измерить температуру газа в канале и скорость распространения звука..

Скорость звука при заданной температуре газа может быть найдена резонансным методом. При распространении волны вдоль закрытого канала она многократно отражается от торцов. Звуковые колебания в канале являются наложением всех отраженных волн и достаточно сложны. Картинка упрощается, если длина канала равна целому числу полуволн:

где n - любое целое число; l - длина волны.

Если условие (2) выполнено, то волна, отраженная от торца канала, вернувшаяся к его началу и вновь отраженная, совпадает по фазе с падающей волной. Совпадающие по фазе волны усиливают друг друга. Амплитуда звуковых колебаний при этом резко возрастает – наступает резонанс.

При звуковых колебаниях слои газа, прилегающие к торцам канала, не испытывают смещения. В этих местах образуются узлы смещения. Они повторяются по всей длине канала через l / 2. Между узлами находятся максимумы смещения (пучности).

где n_p - резонансная частота.

Для определения отношения теплоёмкостей g по скорости звука предназначена экспериментальная установка ФПТ 1-7, общий вид которой приведен на рис. 1.

Рабочий элемент установки представляет собой теплоизолированную трубу 4 постоянной длины. Температура воздуха в трубе изменя­ется с помощью электронагревателя (на трубу навита спираль З), мощность которого устанавливается регулятором 6. Температура воздуха измеряется полупроводниковым термометром 2 и регистрируется на цифровом индикаторе.

Звуковые колебания в трубе возбуждаются телефоном 1 и улавливаются микрофоном 5. Мембрана телефона приводится в движение пе­ременным током звуковой частоты, в качестве источника переменной ЭДС используется генератор звуковых колебаний, размещенный в блоке приборов установки. Частота колебаний, задаваемых звуковым генератором, регулируется ручками 7 "Грубо" и "Плавно" и регистрируется нa цифровом индикаторе.

Интенсивность возникающего в микрофоне сигнала фиксируется миллиамперметром, чувствительность которого регулируется ручкой 8 "Усиление". Пиковые значения тока, зарегистрированные миллиампер­метром при плавном изменении частоты колебании, соответствуют условию резонанса в канале.

Длина рабочей трубы L приведена на лицевой панели установки.