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青岛科技大学物理实验室 大学物理实验教案 第二章 振动与波动 2.1声速测量 2.2空气中声速的测定 2.1 声速测量 一、演示目的 介绍一种测量声速的新方法。 二、演示原理 本测量仪器的装置如实物所示，一个1.2m的有机 玻璃管用作波导管，其上方和下方分别安装有进水口和出水口，上方固定一扬声器，扬声器由一频率可调 的低频信号发生器驱动，对于某一个特定的驱动频率，通过控制进水的流量及时间，可缓慢调节波导管内的液面高度。由于水的声阻抗大于空气的阻抗，声波在水面反射时产生半波损失。所以，水面形成的反射面只能 形成波节。当空气柱长度满足 n 1,2,3, ……时，根据驻波原理，上端管口出现波腹， 人耳只听到最强的共鸣声。低频信号发生器如继续降低波导管中的水位，即增加空气柱的长度，可以产生第2、3……次共鸣,空气柱的长度为 L2、L3……,分别为 ， ……，由于相邻两次共鸣现象之间的空气柱长度只差为半个波长 ，利用实际测量的L1、L3、L n+1 可以求得 。声速的频率已知，测得声波在空气中传播的波长，根据公式 即可求出声速。 三、演示方法 先将波导管中注满自来水，然后将水从波导管中慢慢流出，同时调节低频信号发生器的频率，在水位下降的过程记录发生共鸣时的水位，两次共鸣水位之间的距离，恰好等于半个波长，从而推导出声波的波 长。 2.2 空气中声速的测定 实验目的 学习利用波的叠加原理测量声速的方法 了解示波器的结构，学习其使用方法 了解发射和接收超声波的原理和方法 示波器面板各旋钮的作用及使用方法。 压电陶瓷超声换能器的作用：逆压电效应正压电效应。 测波长的三种方法：驻波法、相位法、双踪法。 游标卡尺的读数方法和使用方法，误差限? 0.02mm 。 测量要求同讲义。（双踪法选作） 数据处理同讲义。 不作完整的实验报告，只作数据处理于预习报告册上。 1、基本原理 声速 若固定频率为 f f0（共振频率），通过波长λ测量，即可求的声速 v。 本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声波和交流电压间的转换。当 电信号的频率与换能器的固有振动频率相等时，其输出能量最大。 2、驻波法 3、相位法 李萨如图随相位的变化 实验仪器 实验步骤 实验步骤 实验步骤 λ 1.000cm f0 34000KHz V 331m/s * 青岛科技大学物理实验室 * 青岛科技大学物理实验室 青岛科技大学物理实验室 多媒体电子教材 实验要求 实验原理 低频信号发生器 游标尺 示波器 S1发出的超声波和由S2反射的超声波在S1，S2之间的区域干涉而形成驻波相邻两极大值之间的距离为半波长λ/2整数倍时，接收面S2上的声压达到极大值。 S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的相位差为 φ ωt 2πf/v 2π l /λ S1与S2之间变化一个波长λ，φ相位差变化，示波器上所观察到的李萨如图随之变化一个周期。 低频信号发生器 游尺 示波器 图 形 相位差 SBZ-A超声声速测定仪 SBZ-A专用信号源 SS-5702A双踪示波器 驻波法 1）发射换能器和接收换能器的两个端面平行 ； 2）调整信号源和示波器正常的工作状态； 3）按照正确线路连接仪器； 4）调整信号源工作频率，保证换能器处于谐振状态； 5）移动S2 ，观察示波器显示的正弦波振幅变化，用游标尺读出振幅极大值S2所在位置。不断移动S2，连续读出10个相邻的波节位置； 6）记录室温及信号源频率 。 相位法 1）按图接线，将发射换能器的输入信号接到示波器的通道2 ； 2）示波器的“触发源”拨至CH2；将“时基因数”拨至X-Y ； 3）接收换能器移动到示波器屏上出现直线的位置 ，以便于观测； 4）连续S2 ，读取10组数据； 5）记录信号源频率及室温 。 双踪法 1）发射端信号接“CH1”，接收端信号接“CH2，垂直方式（Y MOOD）中的开关拨至DUAL示波器处于两个通道信号的双踪显示状态 ； 2）旋转“时基因数”旋钮可同时看到两个波形，推动S2 ，两个波形在水平方向发生相对移动，当两个波形的峰和峰对齐时，说明位相差是2?的整数倍； 3）连续推动S2 ，记录峰与峰对齐时的10组数据，并记录频率 。 参考数据 1、驻波法实验数据 频率f 34.905（KHz） 室温t 22 （℃） 0.009 0.007 0.003 0.005 0.009 5.105 5.096 5.098 5.108 5.110 5.114 L Xi+5-Xi 17.222 16.212 15.200 14.172 13.148 12.126 11.114 10.092 9.062 8.034 Xi cm 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 序号 对测量量L，