Теория метода. Причиной звуковых ощущений у людей и животных является воздействие на их органы слуха упругих волн, распространяющихся в воздухе или в другой упругой среде

Причиной звуковых ощущений у людей и животных является воздействие на их органы слуха упругих волн, распространяющихся в воздухе или в другой упругой среде. Звук может распространяться только в среде (газ, жидкость, твердое тело). Скорость звука зависит от упругих свойств среды. Звук возникает в среде при колебании какого-нибудь тела (струны или частиц). Если бросить камень на поверхность воды, то пойдут круги или как мы говорим волны. Точка, куда упал камень, является источником возмущения. Возмущение передается в различные участки поверхности воды посредством волны. Звук не может распространяться в вакууме, так как там нет вещества, которое через себя передавало бы возмущение от одной частицы к другой по цепочке. Распространение волн не связано с переносом вещества.

Волны бывают поперечными и продольными. Волна на поверхности воды есть пример поперечной волны. Если колебание частиц среды перпендикулярно распространению волны - волна называется поперечной. Колебания мембраны в телефоне создают колебания среды, т.е. чередование областей сжатия и разряженности в пространстве образуют волну. Это есть пример продольных упругих волн.

В зависимости от частоты колебаний различают два вида распространения колебаний: изотермический и адиабатический. При очень малых частотах процесс сжатия и расширения происходит изотермически. А при больших частотах наблюдается адиабатическое сжатие и расширения воздуха. Сжатие происходит так быстро, что нет оттока теплоты в окружающую среду, а при расширении воздух охлаждается и не успевает нагреться за счет притока теплоты извне. Поэтому процесс, происходящий в воздухе будет адиабатическим. Уравнение адиабатического процесса рV^γ = сonst.

Это уравнение называется еще и уравнением Пуассона, где γ- коэффициент Пуассона, равный отношению удельных или молярных теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме

γ = С_р/С_v . Скорость звука в среде определяется формулой , где k – модуль объемной упругости среды из закона Гука

(3)

или (4)

дифференцируя уравнение Пуассона, получим:

(5)

откуда

(6)

тогда скорость звука будет равна (7)

Используя уравнение состояния (8)

найдем (9)

Подставляя в формулу (7) значение р определяем скорость звука

(10)

Звуковой генератор вырабатывает сигналы звуковой частоты от 20-2000Гц.

Этот сигнал подаем на телефон. Телефон преобразует электрические колебания в механические колебания мембраны. Излучаемый звук направляется во внутрь трубки, на другом конце которой расположен микрофон. Падающий на плоский микрофон звук отражается обратно и взаимодействует с падающей волной. При определенных условиях, когда внутри трубки укладывается целое число полуволн, образуется стоячая волна- застывшая картина волны.

Микрофон преобразует обратно звуковые колебания в электрические.

Эти сигналы усиливаются усилителем и подаются на вход осциллографа для визуального наблюдения сигнала. Перемещая микрофон вдоль трубки мы можем наблюдать изменения амплитуды сигналов на осциллографе.

телефон микрофон

ЗГ УНЧ ОСЦ.

Рис 1.

В тот момент, когда микрофон попадает в узел стоячей волны, наблюдается минимум сигнала, а когда микрофон перемещаясь попадает в пучность стоячей волны, будет наблюдаться максимум сигнала.

Но можно сделать опыт иначе. Не перемещая микрофон, увеличивая частоту сигнала мы можем добиться укладки вдоль трубки целого количества полуволн

, где k = 1,2,3,4,…… (11)

ℓ - длина трубки.

Можно найти две «соседние» частоты при котором наблюдается максимум сигнала на осциллографе. Этим частотам соответствуют пучности на микрофоне. Для двух частот имеем два значения длин волн λ₁ и λ₂.

, где (12)

(13)

Найдем разницу частот: (14)

Подставляя значение из формулы (10) имеем

(15)

Отсюда найдем (16)

Зная молекулярный вес воздуха μ = 0,029кг/моль, температуру воздуха, длину трубки и разность частот, мы можем найти γ - показатель адиабаты.