Garso greičio ore nustatymas bangų interferencijos

Laboratorinis darbas GARSO GREIČIO ORE NUSTATYMAS BANGŲ INTERFERENCIJOS METODU 1. Darbo užduotis. Taikant bangų interferencijos metodą, nustatyti garso greitį ore ir apskaičiuoti oro molinių šilumų Cp ir CV santykį. 2. Teorinė dalis. Šiame darbe garso greitį išmatuosime gavę jo stovinčiąsias bangas. Tam viena kryptimi sklindančiai bangai interferuojant su priešpriešiais sklindančia tokio pat dažnio ir amplitudės banga gaunama „stovinčioji banga” (1) čia Sm – sklindančios bangos amplitudė,   2 – jos ciklinis dažnis, k = 2π ⁄λ – banginis skaičius. (1) lygtis – tai svyravimų lygtis, kurių amplitudė (2) yra periodinė koordinatės x funkcija. Taškuose, kurių koordinatė x tenkina lygtį k x  0, , 2,3, (3) nuokrypio amplitudė yra didžiausia ir lygi 2Sm . Šie taškai vadinami stovinčiosios bangos nuokrypio pūpsniais. Taškuose, tenkinančiuose sąlygą (4) virpesių amplitudė lygi nuliui. Šie aplinkos taškai nevirpa ir juos vadiname stovinčiosios bangos nuokrypio mazgais. Molinė šiluma, lygi šilumos kiekiui, kurį suteikus vienam moliui medžiagos jos temperatūra pakyla vienu laipsniu. Dujoms ji labai priklauso nuo jų molekulių sudėtingumo ir nuo proceso, kurio metu suteikiama šiluma, pobūdžio. Molekulės sudėtingumas susietas su ją sudarančių atomų skaičiumi ir apibūdinamas molekulės laisvės laipsnių skaičiumi. Pastarasis lygus koordinačių skaičiui, reikalingam nusakyti molekulės padėtį erdvėje. Vienatomę molekulę galima laikyti materialiuoju tašku. Jos padėtį nusakome trimis koordinatėmis (x, y, z), kurios kinta molekulei slenkant, todėl ji turi 3 slenkamojo judėjimo laisvės laipsnius. Dviatomės kietojo ryšio molekulės erdvinė padėtis apibūdinama 5 koordinatėmis: trys jų (x, y, z) nusako molekulės masės centro padėtį ir du kampai (, ) su koordinačių ašimis – jos ašies orientaciją. Pūpsniai Mazgai x /2 |S* | 2 pav. Pastaroji kinta molekulei sukantis, todėl tokia molekulė turi 3 slenkamojo ir 2 sukamojo judėjimo laisvės laipsnius. Kai ryšys tarp atomų yra tamprus, tai tokia molekulė turi dar vieną virpamojo judėjimo laisvės laipsnį. Triatome erdvine struktūra pasižyminti molekulė turi ne mažiau kaip 6 laisvės laipsnius. Molekulinėje fizikoje įrodoma, kad kiekvienam laisvės laipsniui vidutiniškai tenka kinetinės energijos (čia k Bolcmano konstanta). Tačiau virpėjimo laisvės laipsniui vidutiniškai dar tiek pat ( ) tenka potencinės energijos. Todėl molekulinės fizikos energetinėse lygtyse molekulės sudėtingumas apibūdinamas dydžiu (5) čia 3 – molekulės slenkamojo, nsuk – sukamojo ir nvirp – virpamojo judėjimo laisvės laipsnių skaičius. Kai tarp atominis ryšys molekulėje yra kietas (nvirp = 0), tuomet i lygus molekulės laisvės laipsnių skaičiui. Dujoms ypač svarbi izochorinė (pastovaus tūrio) molinė šiluma Cv ir izobarinė (pastovaus slėgio) molinė šiluma Cp . Molekulinėje fizikoje parodoma, kad , todėl (6) Oras, kaip ir visos dujos, pasižymi tik tūriniu tamprumu, todėl garso bangos yra išilginės. Jas sudaro periodiškai besikaitaliojantys oro sutankėjimai ir praretėjimai, kurie nuolat tolsta nuo garso šaltinio. Sutankėjimo vietose temperatūra pakyla, praretėjimo – sumažėja. Dėl mažo oro šilumos laidumo šie sutankėjimo ir praretėjimo procesai, galima sakyti, vyksta be šilumos mainų, t.y. adiabatiškai. Adiabatinį procesą aprašo Puasono lygtis pV  const ir garso bangų greitį ore apibūdina adiabatinis tūrio tamprumo modulis K   p . Todėl garso greitis ore (7) čia M  29,210-3 kg/mol – oro vieno molio masė,  – oro tankis; R – universalioji dujų konstanta. 3. Aparatūra ir darbo metodas. Laboratorinio darbo įrenginio principinė schema parodyta 1 paveiksle. Ją sudaro tiesus stiklinis akustinis vamzdis 1, kurio viename gale įtaisytas garsiakalbis 2, o antrajame – mikrofonas 3. Jų membranos yra lygiagrečiose plokštumose. Mikrofonas prijungtas prie kompiuterio 4. Prie garsiakalbio prijungtas garsinių dažnių generatorius (GDG) 5, todėl generuojamos akustinės bangos sklinda vamzdžiu. Kaip ir kiekvienam kūnui, taip ir membranų ribojamam oro stulpui būdingi tam tikri virpesių savieji dažniai. Garso bangos ore mažai slopsta, todėl jos, atsispindėjusios nuo mikrofono membranos, sklinda priešinga kryptimi. Kai tarp garsiakalbio ir mikrofono membranų yra tam tikras nuotolis, vamzdyje gaunamos stovinčiosios bangos. Mikrofonas ne tik pasyviai atspindi garso bangas, bet ir akustinius virpesius transformuoja į elektrinius: jei mikrofonas yra stovinčiosios bangos slėgio pūpsnyje, gauname didžiausią elektrinių virpesių amplitudę, jei mazge – mažiausią (2 pav.). Atstumas tarp dviejų gretimų pūpsnių (arba mazgų) lygus pusei sklindančiosios bangos ilgio (λ/2). Tuo naudojamasi matuojant bangos ilgį. Gerai susipažįstame su naudojamais įrengimais, juos įjungiame į elektros tinklą, paruošiame darbui GDG bei kompiuterį Atliekant eksperimentą, rankenėlė 3 „dažnio generavimo riba“ turi būti padėtyje „20 kHz“. Švelniai dažnį galime keisti rankenėle 4. Išėjimo galią keičiame rankenėle 2 ir 5. Stiprintuvo jungiklis 1 turi būti padėtyje „ “. Įjungus kompiuterį (kelias sekundes palaikius įjungimo/išjungimo mygtuką) matavimo programinė įranga pasileis automatiškai. Prieš pradedant matavimus būtina nusistatyti vertikaliąją ir horizontaliąją skleistines taip kaip parodyta 4 paveiksle. Keitimui naudojami skleistinių verčių keitimo mygtukai (4 pav.) 1. Bandymą pradėti nuo 1 kHz dažnio. 2. Strypą su pritvirtintu mikrofonu atitraukiame netoli dešiniojo akustinio vamzdelio galo. 3. Lėtai stumiame strypą su mikrofonu į kairę ir stebime virpesių amplitudę ekrane. Kai virpesių amplitudė bus didžiausia, mikrofonas bus stovinčios bangos pūpsnyje. Užsirašome jo padėtį milimetrais. Matavimo metu radus stovinčios bangos pūpsnį (maksimalią amplitudę) matoma amplitudė turėtų užimti apie 1/2 viso ekrano (kaip parodyta 4 pav.) aukščio. Jeigu signalo vaizdas netelpa arba užima mažesnę ekrano dalį būtina pakoreguoti vertikaliąją skleistinę. Jei ekrane matomo signalo viršūnės „apkarpytos“ būtina sumažinti signalų generatoriaus amplitudę, kol „apkarpymo“ efektas išnyks. Bandymą pradėti nuo 1 kHz dažnio. Strypą su pritvirtintu mikrofonu atitraukiame netoli dešiniojo akustinio vamzdelio galo. Lėtai stumiame strypą su mikrofonu į kairę ir stebime virpesių amplitudę ekrane. Kai virpesių amplitudė bus didžiausia, mikrofonas bus stovinčios bangos pūpsnyje. Užsirašome jo padėtį milimetrais. Matavimo metu radus stovinčios bangos pūpsnį (maksimalią amplitudę) matoma amplitudė turėtų užimti apie 1/2 viso ekrano (kaip parodyta 4 pav.) aukščio. Jeigu signalo vaizdas netelpa arba užima mažesnę ekrano dalį būtina pakoreguoti vertikaliąją skleistinę. Jei ekrane matomo signalo viršūnės „apkarpytos“ būtina sumažinti signalų generatoriaus amplitudę, kol „apkarpymo“ efektas išnyks. Toliau lėtai stumiame mikrofoną į kairę iki gretimo pūpsnio ir išmatuojame nuotolį tarp dviejų pūpsnių: tai bus i/2. Aprašytus veiksmus atliekame dar esant 1,5 kHz, 2 kHz ir 2,5 kHz dažniams. Iš formulės vi fi apskaičiuojame greitį ore. Kelvino skalėje užrašę oro temperatūrą, apskaičiuojame oro molinių šilumų Cp ir CV santykį  (7 formulė). Baigus darbą kompiuteris išjungiamas (kelias sekundes palaikius įjungimo/išjungimo mygtuką bei atsiradusiame dialogo lange pasirinkus „OK“). 4. Darbo rezultatai. Darbo rezultatai pateikti 1 lentelėje: Bandymų nr.

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!