大學(xué)物理實驗教案

1、多媒體電子教材2022/8/161 第二章 振動與波動2.1聲速測量2.2空氣中聲速的測定2022/8/162 2.1 聲速測量 一、演示目的 介紹一種測量聲速的新方法。 二、演示原理 本測量儀器的裝置如實物所示，一個1.2m的有機 玻璃管用作波導(dǎo)管，其上方和下方分別安裝有進水口和出水口，上方固定一揚聲器，揚聲器由一頻率可調(diào) 的低頻信號發(fā)生器驅(qū)動，對于某一個特定的驅(qū)動頻率，通過控制進水的流量及時間，可緩慢調(diào)節(jié)波導(dǎo)管內(nèi)的液面高度。由于水的聲阻抗大于空氣的阻抗，聲波在水面反射時產(chǎn)生半波損失。所以，水面形成的反射面只能 形成波節(jié)。當(dāng)空氣柱長度滿足 n=1,2,3, 時，根據(jù)駐波原理，上端管口出現(xiàn)波腹

2、，2022/8/163 人耳只聽到最強的共鳴聲。低頻信號發(fā)生器如繼續(xù)降低波導(dǎo)管中的水位，即增加空氣柱的長度，可以產(chǎn)生第2、3次共鳴,空氣柱的長度為 L2、L3,分別為 ， ，由于相鄰兩次共鳴現(xiàn)象之間的空氣柱長度只差為半個波長 ，利用實際測量的L1、L3、L(n+1)可以求得 。聲速的頻率已知，測得聲波在空氣中傳播的波長，根據(jù)公式 即可求出聲速。 三、演示方法 先將波導(dǎo)管中注滿自來水，然后將水從波導(dǎo)管中慢慢流出，同時調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器的頻率，在水位下降的過程記錄發(fā)生共鳴時的水位，兩次共鳴水位之間的距離，恰好等于半個波長，從而推導(dǎo)出聲波的波 長。2022/8/1642.2 空氣中聲速的測定2022

3、/8/165實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)利用波的疊加原理測量聲速的方法了解示波器的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)其使用方法了解發(fā)射和接收超聲波的原理和方法2022/8/166實驗要求示波器面板各旋鈕的作用及使用方法。壓電陶瓷超聲換能器的作用：逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)。測波長的三種方法：駐波法、相位法、雙蹤法。游標(biāo)卡尺的讀數(shù)方法和使用方法，誤差限=0.02mm 。測量要求同講義。（雙蹤法選作）數(shù)據(jù)處理同講義。不作完整的實驗報告，只作數(shù)據(jù)處理于預(yù)習(xí)報告冊上。2022/8/1671、基本原理聲速 若固定頻率為 f=f0（共振頻率），通過波長測量，即可求的聲速 v。本實驗采用壓電陶瓷超聲換能器來實現(xiàn)聲波和交流電壓間的轉(zhuǎn)換。當(dāng) 電信號的頻率

4、與換能器的固有振動頻率相等時，其輸出能量最大。實驗原理 2022/8/1682、駐波法低頻信號發(fā)生器游標(biāo)尺示波器S1發(fā)出的超聲波和由S2反射的超聲波在S1，S2之間的區(qū)域干涉而形成駐波相鄰兩極大值之間的距離為半波長/2整數(shù)倍時，接收面S2上的聲壓達(dá)到極大值。2022/8/1693、相位法 S1發(fā)出的正弦波與S2收到的正弦波之間的相位差為 =t =2f/v=2 l / S1與S2之間變化一個波長，相位差變化，示波器上所觀察到的李薩如圖隨之變化一個周期。低頻信號發(fā)生器游尺示波器2022/8/1610李薩如圖隨相位的變化圖 形相位差2022/8/1611實驗儀器SBZ-A超聲聲速測定儀 SBZ-A專

5、用信號源 SS-5702A雙蹤示波器 2022/8/1612實驗步驟駐波法 1）發(fā)射換能器和接收換能器的兩個端面平行 ； 2）調(diào)整信號源和示波器正常的工作狀態(tài)； 3）按照正確線路連接儀器； 4）調(diào)整信號源工作頻率，保證換能器處于諧振狀態(tài)； 5）移動S2 ，觀察示波器顯示的正弦波振幅變化，用游標(biāo)尺讀出振幅極大值S2所在位置。不斷移動S2，連續(xù)讀出10個相鄰的波節(jié)位置； 6）記錄室溫及信號源頻率 。 2022/8/1613實驗步驟相位法 1）按圖接線，將發(fā)射換能器的輸入信號接到示波器的通道2 ； 2）示波器的“觸發(fā)源”撥至CH2；將“時基因數(shù)”撥至X-Y ； 3）接收換能器移動到示波器屏上出現(xiàn)直線

6、的位置 ，以便于觀測； 4）連續(xù)S2 ，讀取10組數(shù)據(jù)； 5）記錄信號源頻率及室溫 。 2022/8/1614實驗步驟雙蹤法 1）發(fā)射端信號接“CH1”，接收端信號接“CH2，垂直方式（Y MOOD）中的開關(guān)撥至DUAL示波器處于兩個通道信號的雙蹤顯示狀態(tài) ； 2）旋轉(zhuǎn)“時基因數(shù)”旋鈕可同時看到兩個波形，推動S2 ，兩個波形在水平方向發(fā)生相對移動，當(dāng)兩個波形的峰和峰對齊時，說明位相差是2的整數(shù)倍； 3）連續(xù)推動S2 ，記錄峰與峰對齊時的10組數(shù)據(jù)，并記錄頻率 。 2022/8/1615 =1.000cm f0=34000KHz V=331m/s參考數(shù)據(jù)1、駐波法實驗數(shù)據(jù) 頻率f =34.905

7、（KHz） 室溫t = 22 （） 0.0090.0070.0030.0050.0095.1055.0965.0985.1085.1105.114L=Xi+5-Xi17.22216.21215.20014.17213.14812.12611.11410.0929.0628.034Xi(cm)10987654321序號2022/8/1616 對測量量L，B類不確定度 不確定度 A類不確定度2022/8/1617這樣 則 速度V的完整表示為V=(351.80.4)m/sEv=0.092022/8/1618當(dāng)溫度為t時，空氣中聲速 則實驗測量值與理論計算值的相對百分誤差為 2022/8/16192相

8、位法實驗數(shù)據(jù)（每隔2 測一次） 頻率 f = 34.626 （KHz） 室溫t = 22（） 0.0090.0070.0030.0050.0095.1055.0965.0985.1085.1105.114L=Xi+5-Xi17.22216.21215.20014.17213.14812.12611.11410.0929.0628.034Xi(cm)10987654321序號2022/8/1620對測量量L，其平均值的A類不確定度 B類不確定度 則總不確定度 2022/8/1621這樣 速度V的完整表示為V=(352.40.6)m/sE=0.162022/8/1622當(dāng)溫度為t時，空氣中聲速 則實驗測量值與理論計算值的相對百分誤差為 2022/8/16233雙蹤顯示法實