Определение скорости звука в воздухе и показателя адиабаты методом стоячих волн

Цель работы: практическое получение и изучение стоячих волн.

Задачи работы:

1. определить экспериментально длину звуковой волны;

2. найти скорость звука в воздухе;

3. рассчитать показатель адиабаты .

Приборы и принадлежности: установка для получения стоячих звуковых волн в воздухе, звуковой генератор (3Г), усилитель низкой частоты, наушники, микрофон, электронный осциллограф (ЭО).

Теория метода и описание установки

Волны, распространяющиеся в любой упругой среде и имеющие частоту в пределах от 20 до 20000 Гц, называются звуковыми волнами, которые воспринимает человеческое ухо. Звуковые волны в газах и жидкостях являются продольными. В твердых телах могут распространятся как продольные, так и поперечные звуковые волны.

Процесс распространения звуковых волн в газах можно представить следующим образом: источник механических колебаний передает эти колебания окружающим его молекулам газа, в результате чего изменяется давление газа в данной микрообласти пространства. Газ, обладая упругими свойствами, быстро расширяется, и в данном элементарном объеме газа образуется разрежение, а микрообласть повышенного давления перемещается дальше от источника звука и т.д. Процессы сжатия и разрежения протекают очень быстро, поэтому изменение давления газа происходит без теплообмена. Такие процессы называются адиабатными (Вы изучали их в разделе термодинамики)

Скорость распространения звуковых волн в газовой среде определяется формулой:

, (1)

где - показатель степени в уравнении адиабатного процесса (), равный отношению теплоемкостей газа при постоянных давлении и объеме ;

- универсальная газовая постоянная;

;

Т - абсолютная температура газа;

- молярная масса газа (для воздуха ).

Из формулы (1) следует, что скорость распространения звука в газе зависит от температуры, молярной массы газа и величины , являющейся тепловой его характеристикой, и не зависит от давления газа. Скорость звука в воздухе при нормальных условиях (Т = 273 К) .

Из формулы (1) найдем выражение для расчета показателя адиабаты :

(2)

Экспериментальная установка для измерения скорости звука изображена на рис. 1. А – длинная стеклянная труба, внутри которой может перемещаться поршень (П). Источником звука служит телефон Т, подключенный к выходным клеммам звукового генератора (ЗГ). Если постепенно отодвигать поршень П от телефона Т, то будет последовательно слышно усиление и ослабление звука, т.е. будут образовываться стоячие волны в результате сложения прямой, идущей от телефона, и отраженной от поршня волн. Для фиксации положений поршня, при которых интенсивность звука максимальна (положения пучностей стоячей волны), используется система микрофон (М) – усилитель низкой частоты (УНЧ) – наушники. Сигнал с усилителя можно подать и на осциллограф (ЭО), чтобы, наблюдая за изменением амплитуды колебаний, заметить места пучностей стоячей волны (максимальная амплитуда).

П М Т

Рис. 1