Хід виконання роботи
Експериментальна частина роботи полягає у визначенні власних коливань n і її виконують так.
Зібрати схему установки згідно Мал. 1.
Уключити живлення генератора, підсилювача й осцилографа від мережі змінного струму. Прогріти установку протягом 5 хв.
Змінюючи частоту генератора, послідовно збудити в закритій трубі стоячі хвилі. Установленню стоячих хвиль відповідає різке збільшення амплітуди електричних коливань, що спостерігаються на екрані осцилографа й перетворення на екрані складної кривої у чисту синусоїду. Установіть 7 послідовних резонансних точок. Вимірювання в кожній із них повторити кілька разів і знайти середнє значення. Результати вимірювань занесіть до Таблиці.
Д
овжина
трубки зазначена на лабораторній
установці.
Обчисліть з теоретичних даних частотний інтервал між сусідніми резонансними точками і перевірте відповідність йому експериментального значення. У разі значної невідповідності повторіть досліди.
Обробка результатів вимірів.
Розрахунок швидкості
звуку та значення сталої адіабати для
повітря провести методом найменших
квадратів за формулами (3) і (7) у Excel,
поклавши в (3)
,
а в (7)
.
Остаточні результати обчислення записати у вигляді
.
Порівняйте одержані результати з теоретичними.
Контрольні питання
Напишіть рівняння прямої і зворотної хвилі.
Виведіть рівняння стоячої хвилі й опишіть її властивості .
Запишіть граничні умови стоячої хвилі в газі, закритому у трубці довжини L.
Опишіть експериментальну установку для визначення швидкості звуку та сталої адіабати.
Розкажіть про хід виконання роботи та обробку результатів експерименту.
Опишіть метод лінеарізації в (3) і (7).
Лабораторна робота № 44
ВИЗНАЧЕННЯ ШВИДКОСТІ ПОШИРЕННЯ УЛЬТРАЗВУКУ В РІДИНІ.
Мета роботи
Виміряти швидкість ультразвуку в рідині.
Прилади та обладнання.
Блок живлення,
генератора високочастотних коливань,
випромінювач ультразвуку,
кювета з досліджуваною рідиною,
індикатор із рухливим рефлектором,
осцилограф.
Коротка теорія.
Властивості ультразвуку описані у Додатку (§ 21). Для генерації ультразвуку використовуються змінні електричні або магнітні поля, що діють, наприклад, на кварцеву пластину у першому випадку зворотний п'єзоелектричний ефект, або феромагнетик у другому випадку магнітострикція. В обох випадках у кристалах виникають вимушені пружні деформації, що породжують випромінювання потужних ультразвукових хвиль.
У
даній роботі швидкість поширення
ультразвуку в рідині визначається за
допомогою акустичного інтерферометра
зі змінною довжиною. Метод акустичного
інтерферометра знаходить застосування
при дослідженні параметрів газів, рідин
і твердих тел у діапазонах частот
0,1...20 МГц. Вимірювальний стенд (Мал. 1)
складається з генератора високочастотних
коливань Г, п’єзоперетворювача
випромінювача ультразвуку
ВУ, кювети з досліджуваною рідиною Р,
механічного індикаторного пристрою з
рухливим рефлектором МІП, осцилографа
О.
Ультразвукові хвилі від випромінювача ВУ розповсюджуються у рідині і відбиваються від мікроіндикатора МІП зі зміною фази на , створюючи зворотню хвилю. Внаслідок взаємодії прямої і зворотньої хвиль в стовпі рідини утворюється стояча хвиля. З граничних умов випливає, що на висоті стовпа рідини Нn повинно укладатися ціле число півхвиль з сталою довжиною хвилі
.
(1)
При цьому на екрані осцилографа коливання будуть мати синусоїдальний характер. Такий випадок називається резонансом: частота збуджуючих коливань ультразвуку співпадає з одною з власних частот коливання стовпа рідини. Настроювання генератора в резонанс із п’єзоперетворювачем здійснюється обертанням ручки конденсатора змінної ємності коливального контуру у діапазоні частот (0,7; 1,4) Мгц.
Із умови (1) можна одержати вираз для швидкості ультразвуку
.
(2)
При розповсюдженні ультразвуку у рідині, короткочасні процеси стиску й розрідження можна вважати такими, що відбуваються без теплообміну, тобто адіабатичними. При цьому швидкість ультразвуку в рідині можна виразити через адіабатичну стискальність (див.Додаток § 30) та густину
.
(3)
Остаточно із (3) вираз для запишеться у виді
.
(4)