Определение длины звуковой волны и скорости звука в воздухе

Способы измерения неэлектрических величин с помощью различных индикаторов электрического тока нашли широкое применение в научно-исследовательской работе и технике. Они применяются и при проведении эксперимента по физике в средней школе.

Определение длины звуковой волны производится способом образования стоячей волны. Однако наличие узлов и пучностей определяется не по слуху, а при помощи усилителя колебаний низкой частоты, снабженного «глазком»-индикатором, что обеспечивает высокую точность измерения.

Установка (рис. 26) состоит из стеклянного цилиндра 1 длиной 1,3—1,6 м, диаметром 50— 60 мм, соединенного при помощи гибкого шланга 2 с бачком 3, Бачок размером 350X150X90 мм, снабженный противовесом 4, может двигаться по направляющим 5 (железным трубкам).

При перемещении бачка уровень воды в цилиндре изменяется. Высоту воздушного столба измеряют при помощи шкалы, укрепленной на цилиндре.

Источником звука является звуковой генератор (например ЗГ-10). Ток звуковой частоты по ступает в телефон 6. Нами использован телефон ТА-4 сопротивлением 2000 ом.

Звуковые волны отражаются от поверхности жидкости в цилиндре. Наложение прямой и обратной волн приводит к образованию стоячей волны (рис. 27). Звуковые колебания через микрофон 7 (нами использован микрофон МД-55) доходят до усилителя (рис. 28), снабженного «глазком»-индикатором. Если микрофон расположен на уровне пучности стоячей волны, то будет восприниматься максимальная звуковая энергия, если же на уровне узла, то — минимальная.

Наблюдая за «глазком» усилителя, можно точно фиксировать соответствующую высоту уровня жидкости по расположению узла или пучности стоячей волны.

Стеклянная труба, в которую вмонтированы телефон и микрофон, должна быть сверху изолирована, чтобы в микрофон не попадали посторонние шумы (громкий разговор, стук дверей и т. п.), что может влиять на работу прибора.

В качестве усилителя низкой частоты может быть использован любой стандартный усилитель, обеспечивающий достаточно равномерное усиление в интервале от 300 до 4000—5000 гц, к которому нужно подключить индикатор настройки.

Определение длины волны сводится к следующему. Включив звуковой генератор на определенную частоту и наблюдая за «глазком» усилителя, устанавливают уровень воды L₁ в цилиндре так, чтобы микрофон находился на уровне узла или пучности стоячей волны (нулевой минимум или максимум). Выбор минимума или максимума зависит от того, на что более остро реагирует «глазок»-индикатор. Записав величину L₁ нужно быстро передвинуть бачок вверх (или вниз) и, наблюдая за «глазком», считать минимумы (максимумы) до тех пор, пока уровень воды в цилиндре и в бачке не сравняются. Уровень воды L₂, соответствующий последнему минимуму (максимуму), нужно установить точно. Расстояние L = L₂—L₁ равно длине N полуволн (см. рис. 27). Следовательно, длина волны определяется равенством:

Опыт по определению длины волны следует повторить несколько раз и вычислить среднее арифметическое из полученных величин. Скорость звука определяется по формуле:

Определить длину волны и вычислить скорость звука следует для различных частот, для наглядности лучше выбрать кратные значения, чтобы на основании экспериментальных данных показать учащимся, что скорость звука не зависит от частоты, а длина звуковой волны обратно пропорциональна частоте.

После экспериментального определения скорости звука полезно для сравнения вычислить скорость звука по формуле:

где k — показатель адиабаты. R— универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура, — масса одного грамм-моля. Величину k можно определить как постоянную, зависящую от атомного веса газа, ъ R — как величину, постоянную для всех газов и равную 0,08206