Определение скорости звука и модуля Юнга методом Кундта

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить скорость звука в металле и модуль Юнга методом Кундта.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Прибор Кундта, линейка, фланель с канифолью.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какой процесс называется волновым?

2. Какие волны называются продольными, поперечными? Приведите примеры.

3. Что такое звук? Характеристики звука.

4. Дайте определение длины волны. Каким соотношением связаны между собой длина волны, период и скорость распространения волны?

5. Получите уравнение бегущей волны, проанализируйте его.

6. Дайте определение амплитуды, фазы волны, волнового числа.

7. Получите уравнение стоячей волны и проанализируйте его.

8. Запишите формулу амплитуды стоячей волны. Что называется пучностью и узлом стоячей волны? Чему равно расстояние между соседними узлами и пучностями?

9. При каком условии в точке отражения образуется узел или пучность стоячей волны?

10. Какие измерения следует провести для определения скорости звука в исследуемом твердом теле? Получите расчетную формулу для определения скорости звука в твердом теле.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

В данной работе предлагается определить скорость звука в металле по известной скорости звука в воздухе . Если длина полуволны в твердом теле , а в воздухе , то

.

Скорость звука при данной температуре определяется по формуле:

Таким образом скорость звука в исследуемом теле будет:

(1)

Из теории упругости следует, что скорость волн в твердых телах определяется формулой:

,

где – модуль Юнга, а – плотность среды. Отсюда модуль Юнга:

(2)

Прибор Кундта для определения скорости звука в твердых телах состоит из широкой стеклянной трубы 1 длиной около 1 метра, один конец которой закрыт. Труба лежит свободно на подставках в горизонтальном положении. Стержень 4, сделанный из исследуемого материала, входит своим концом с шайбой 2 внутрь трубы. Середина стержня зажата в стойке 3. При возбуждении в стержне колебаний в нем возникает механическая продольная стоячая волна с узлом смещения в точке закрепления и пучностями на концах. Шайба 2 колеблется и возбуждает колебания воздуха в трубе 1. В трубе в воздухе образуются стоячие волны, длина которых зависит от частоты тона, издаваемого стержнем. Положение их можно определить, если внутрь трубы 1 насыпать небольшое количество порошка, например, мелких пробковых опилок, распределить их равномерно по всей длины трубы. При звучании стержня опилки собираются в узлах воздушной стоячей волны, образуя характерные фигуры Кундта. Фигуры Кундта приобретают особенно отчетливый вид, если между закрытым концом трубы и шайбой стержня укладывается целое число полуволн. Этого можно достичь, немного перемещая трубу относительно стержня. Измерение расстояния между соседними узлами (или пучностями) дает половину длины звуковой волны, возбужденной в трубке.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Пробковые опилки легкими постукиваниями по трубе 1 распределяют равномерным слоем. Трубу 1 не смещать и не вращать – это приводит к электронизации опилок и их налипанию на стенки.

2. Обхватив стержень рукой с фланелью, посыпанной канифолью, проводят по нему по направлению от шайбы. Стержень издает громкий звук, соответствующий основному тону. Порошок при этом расположиться в фигуры, называемые фигурами Кундта.

3. Измеряют линейкой длину 5 – 6 фигур Кундта, вычисляют длину полуволны в воздухе . Опыт повторяют 3 – 5 раз, предварительно встряхнув опилки.

4. Измеряют длину стержня .

6. По термометру определяют температуру в комнате.

7. По формуле (1) определяют скорость распространения звука в стержне, а по формуле (2) – модуль Юнга. Плотность материала стержня .

8. Все данные заносят в таблицу 1. Прямые и косвенные измерения обрабатывают по методу Стьюдента.

Таблица 1

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: