Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине “Физика” для студентов всех специальностей (стр. 1 )

Министерство образования и науки Украины

Национальная металлургическая академия Украины

МЕТОДИЧЕСКИЕ  УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине “Физика”

для студентов всех специальностей

(Разделы:  “Колебания и волны”,  “Волновая оптика”,  “Квантовая оптика”,  “Физика твердого тела”)

Днепропетровск  НМетАУ  2009

Министерство образования и науки Украины

Национальная металлургическая академия Украины

МЕТОДИЧЕСКИЕ  УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине “Физика”

для студентов всех специальностей

(Разделы:  “Колебания и волны”,  “Волновая оптика”,  “Квантовая оптика”,  “Физика твердого тела”)

  Утверждено

  на заседании кафедры физики

  протокол №5 от 10.01.09

Днепропетровск  НМетАУ  2009

УДК  539.19(07)

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине “Физика” для студентов всех специальностей  (Разделы: “Колебания и волны”,  “Волновая оптика”,  “Квантовая оптика”,  “Физика твердого тела”) / Составители: , , .– Днепропетровск: НМетАУ, 2009. – 44 с.

В методических указаниях содержатся инструкции к выполнению лабораторных работ по колебаниям и волнам, волновой и квантовой оптике, физике твердого тела. Предназначены для студентов всех специальностей.

Составители:  , д-р. хим. наук, проф.,

  , канд. физ.-мат. наук, доц.

  , ст. викладач

  , ассистент

Ответственный за выпуск  ,  канд. физ.-мат. наук, доц.

Рецензент  ,  д. т.н., проф.(НМетАУ)

Подписано к печати 12.02.09  Формат 60x84  1/16.  Бумага типогр.

Уч.-изд. л. 2,58.  Усл. печ. л. 2,56.  Тираж 500 экз. 

Национальная металлургическая академия Украины,

49600, Днепропетровск-5, пр. Гагарина, 4

Этапы выполнения лабораторных работ

Предварительная домашняя подготовка. Накануне очередного занятия студент знакомится с инструкцией к данной лабораторной работе. В специально выделенной тетради студент ведёт краткий конспект, обращая внимание на цель работы, приборы и принадлежности, теорию метода измерений физических величин, рабочие формулы. Допуск к выполнению работы. Чтобы получить допуск к физическому практикуму, студент обязан пройти инструктаж у преподавателя по технике безопасности.  Для получения допуска к выполнению лабораторной работы студент должен иметь  краткий конспект и ответить в устной или письменной форме на вопросы преподавателя. Выполнение экспериментальной части работы. Получив допуск к выполнению работы, студент должен ознакомиться с приборами и принадлежностями, записать их основные характеристики, при необходимости провести монтаж установки1 и после проверки ее преподавателем приступить к измерениям. Результаты измерений заносятся в рабочую таблицу с указанием единиц измерения. Окончательные результаты прямых измерений показываются преподавателю. После этого установка демонтируется, приборы и принадлежности  устанавливаются  на  прежние  места  и  передаются  лаборанту. Математическая обработка результатов измерений.  После выполнения эксперимента студент приступает к математической обработке результатов измерений согласно инструкции. Получение зачета.  Зачет по лабораторной работе принимается при наличии протокола отчета.

  Таблица коэффициентов Стьюдента

б   n	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	0,95
3	0,82	1,06	1,4	1,9	2,9	4,3
4	0,77	0,98	1,3	1,6	2,4	3,2
5	0,74	0,94	1,2	1,5	2,1	2,8
6	0,73	0,92	1,2	1,5	2,0	2,6
7	0,72	0,90	1,1	1,4	1,9	2,4
8	0,71	0,90	1,1	1,4	1,9	2,4
9	0,71	0,90	1,1	1,4	1,9	2,3

       

       

Лабораторная работа № 5- к

(Компьютерный вариант)

Определение скорости распространения звука в воздухе

Цель работы: 1. Изучение закона сложения взаимно перпендикулярных колебаний  одинаковой  частоты.  2. Определение  скорости распространения звуковых волн в воздухе.

1. Теория метода.

       Звуковые (или акустические) волны представляют собой упругие волны. Они испускаются колеблющимся телом (источником звука) и распространяются в твердых телах, жидкостях и газах.

       Человеческое ухо, как правило, воспринимает звук, частота которых находится в диапазоне от 01.01.010 Гц. Звуковые волны с более высокими частотами называются ультразвуком, а с более низкими – инфразвуком.

       Звуковые волны, распространяющиеся в газах, являются продольными (в этом случае частицы газовой среды колеблются в направлении распространения волны). Поэтому при распространении звука в газах образуются чередующиеся области уплотнения и разрежения, которые движутся в направлении распространения волны со скоростью н. В местах уплотнения и разрежения значения давления и плотности газа будут, соответственно, больше или меньше средних значений  р  и  ρ  на величину Δр  и  Δρ.

       Исходной формулой скорости распространения звука в газах является следующее выражение:

    (1)

       Формула (1) была модифицирована Лапласом  с  учетом  того фактора, что процесс распространения звука в газах происходит адиабатически, то есть звуковые волны в газах распространяются так быстро, что локальные изменения объема и давления в газовой среде происходят без теплообмена с окружающей средой.

       Адиабатический процесс в газах описывается уравнением Пуассона ,  где γ - коэффициент Пуассона, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме (величина γ зависит от числа степеней свободы молекул газа). Путем несложных преобразований Лапласом было получено следующее выражение для скорости распространения звука в газах:

    (2)

       Используя уравнение Менделеева-Клапейрона , можно найти, что отношение  р/ρ  равно  RT/M. Тогда формула Лапласа (2) примет следующий вид:

    (3)

Здесь R - универсальная  газовая  постоянная,  Т – абсолютная температура газа,  М - молярная масса газа.

       Из равенства (3) следует, что скорость звуковых волн в газах с повышением температуры возрастает пропорционально , а также зависит  от  значения коэффициента  Пуассона γ  и молярной массы газа М.  Так, при 0о С  скорость  звука  в  кислороде – 315 м/с, в водяном паре – 1263 м/с.

       Что касается скорости звука в воздухе н, то формула (3) позволяет лишь приближенно вычислить величину н при той или иной температуре, так как скорость звуковых волн в воздухе зависит не только от процентного состава воздуха, но и от его влажности.

       Значение скорости звука в воздухе можно достаточно точно определить экспериментальным путем, используя соотношение между длиной волны λ и частотой звука ν :  .

         Отсюда получим: 

    (4)

         В данной работе формула (4) используется для нахождения скорости звука в воздухе. Длина волны звуковой волны λ определяется экспериментально, а частота  ν  задается источником звука, которым является звуковой генератор. Следует отметить, что определение величины λ основано на законе сложения взаимно перпендикулярных колебаний одинаковой частоты.

Закон сложения взаимно перпендикулярных колебаний

одинаковой  частоты

       Рассмотрим случай, когда тело участвует в двух взаимно перпендикулярных колебаниях одинаковой частоты. Требуется установить характер траектории результирующего движения тела.

       Пусть направлениями взаимно перпендикулярных колебаний являются координатные оси ОХ и ОY. Тогда уравнения складываемых колебаний будут иметь вид:

 

где φ 1  и  φ 2  - начальные фазы колебаний,  x0  и  y0 - амплитуды колебаний,  ω - циклическая (круговая) частота, связанная с обычной частотой ν  соотношением  .