Возникает вопрос о влиянии самого пьезоэлектрика на результаты измерений. Ведь для определения скорости звука контактным методом в нём нет никакой нужды. Быть может, полученная зависимость спровоцирована присутствием пьезоэлектрика? Следующие два снимка опровергают это предположение.
Рис. 6. Время контакта в отсутствие пьезоэлектрика при малой силе удара (отображается в поле Delta).
Рис. 7. Время контакта в отсутствие пьезоэлектрика при большой силе удара (отображается в поле Delta).
При большой силе удара время контакта значительно меньше, чем при малой (252 и 378 мкс). Значит, зависимость имеет место и без пьезоэлектрика.
При построении графиков я сознательно отбросил некоторые сомнительные данные (очень малых и очень больших амплитуд напряжения, поскольку для них тяжело накопить достаточное число измерений для статистической обработки. Более того, некоторые из экспериментальных данных в этих случаях выглядели достаточно необычно.
Рис. 8. Случай предельно малой амплитуды напряжения (на втором канале отчетливо видны шумы). Что считать здесь временем соударения?
Нижняя совокупность точек на рисунке 5 демонстрирует случай, когда пьезоэлектрик неплотно прижат к стержню. “Мелочь”, которая была замечена мною далеко не сразу, привела к такому серьёзному изменению результатов. Неплотный контакт пьезоэлектрика приводит и к другому эффекту.
При плотном контакте первый локальный максимум графика напряжения, как правило, и есть амплитуда напряжения на пьезоэлектрике. Это видно на рисунке 9. Но при неплотном прижатии пьезоэлектрика картина усложняется. Пьезоэлектрик прикреплён к стержню при помощи болта. Волна проникает по нему в пьезоэлектрик, отражается от его левой стенки (см. рис. 3), затем часть отражённой волны возвращается по болту в стержень, а часть остаётся в пьезоэлектрике. Таким образом, сложная осциллограмма, изображенная на рисунке 10, возможно, является результатом наложения волн.
Рис. 9. Нормальная осциллограмма с чётко выраженной амплитудой напряжения.
Рис. 10. Сложная осциллограмма, полученная при неполном прижатии пьезоэлектрика.
На последнем рисунке у напряжения на пьезоэлектрике видны четыре максимума. Какой из них следует брать в качестве амплитуды. Ответ, казалось бы, очевиден. Надо выбрать из них наибольший. Руководствуясь такими соображениями, я получил зависимость времени контакта от амплитуды напряжения. Однако она оказалась столь абсурдной, что стала очевидна ошибочность такого воззрения. Предполагаю, что первый максимум и есть амплитуда, ибо она соответствует максимальному сжатию пьезоэлектрика приходящей волной, за которым следует расширение, и, быть может, наложение волн.
Стоит отметить, что сильнейшее влияние на время контакта оказывает то, что находится на сталкивающихся поверхностях. Следующие два рисунка показывают вид осциллограммы при наличии на сталкивающихся поверхностях воды и пыли.
Рис. 11. Деформация “полки”, когда на сталкивающихся поверхностях находится вода.
Рис. 12. Затруднённый электрический контакт при небольшом напылении мест контакта.
Замечу, что фактор поверхности почти не влияет на осциллограмму напряжения на пьезоэлектрике. Возникает вопрос о влиянии на время контакта оксидной плёнки, образующейся на поверхности металла.
Вывод.
Контактный способ измерения скорости звука неприменим, так как его теоретическое обоснование плохо стыкуется с экспериментом. Кроме того, возникает огромный разброс получаемых данных, вопрос о контактирующих поверхностях, что не скажешь о “методе пьезоэлектрика”.
1. Отчёт на измерительном и практикуме. Что нужно знать и уметь. А.С. Золкин. Кафедра общей физики, физический факультет НГУ.
2. Интернет – сайт http://pl.school.ioffe.rssi.ru/
1. Введение 2
2. Описание эксперимента 2
2.1 Методика измерений 2
2.2. Описание установки 3
2.3 Результаты измерений 3
3. Анализ результатов измерений 3
3.1 Обработка результатов 3
3.2 Оценка погрешностей 3
4. Обсуждение полученных результатов 3
5. Выводы и заключение 3
Дополнительное задание 3
Литература 3
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.