大学物理实验教案(声速测量).pdf

大学物理实验教案 实验项目 声速测量 1. 进一步熟悉示波器的使用。 教学目的 2. 了解压电陶瓷换能器的功能。 3. 学会用共振干涉和相位比较等方法测量超声波的波速。 在波动过程中，波速 v 、波长 和频率 f 三者关系为 v f （1） 由上式可知，只要测出声波波长 和频率 f ，就可以求出声速 v 。 1. 共振干涉法 图 1 实现装置为图 1 所示， 图中 S1 和 S2 为压电陶瓷超声换能器。 S1 作为超 实验原理 声波发射头，信号源输出的正弦交变电压信号接到 S1 上，由逆压电效应， 使 S1 发出一平面声波。 S2 作为超声波接收头，由正压电效应把接收到的声 压转换成交变的正弦电压信号， 经信号处理后输入示波器观察。 S2 在接收超 声波的同时还反射一部分超声波。这样，在 S1 发出的超声波和由 S2 反射的 超声波在 S1 和 S2 之间的区域干涉而形成驻波。我们在示波器上观察到的实 际上是这两个波干涉合成后在 S2 处的振动情况。移动 S1，即改变 S1 和 S2 之间的距离，在一系列特定的位置上，从示波器显示上可看到振幅有最大值 或最小值，根据波的干涉理论可以知道，相邻两极大值 (或最小值 )之间的距 离为 。为了测出驻波相邻波节之间的半波长距离， 可连续改变 S1 和 S2 之 2 间的距离，而幅度每一次周期性的变化。相当于 S1 和 S2 之间的距离改变了 。此距离可由数显尺直接读出 (或在机械刻度上读出 )，如果频率已测定， 2 则可据 (1) 式算出声速 v 。 2. 相位比较法： 从 S1 发出的超声波通过媒质到达接收器 S2，在发射波和接收波之间产 生相位差 D j 。此位相差 D j 和角频率 ( 2 f ) ，传播时间 t ，声速 v ， 距离 L ，波长 之间有如下关系： 1 L L φ φ φ ωt πf π D = 1 - 2 = = 2 = 2 （2 ） v λ 由(2) 式可知，若要使位相差 Dj 改变 2 ，那么 S1 和 S2 的间距 L 就要 相应地改变一个波长 。于是，根据位相差的 2 变化，就可以测出波长 来， 而声速频率已测出，则根据 (1) 式便可计算出声速