大学物理实验教案 24页

大学物理实验教案青岛科技大学物理实验室多媒体电子教材\n第二章振动与波动2.1声速测量2.2空气中声速的测定2021/6/152青岛科技大学物理实验室\n2.1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，2021/6/153青岛科技大学物理实验室\n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。2021/6/154青岛科技大学物理实验室\n2.2空气中声速的测定\n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2021/6/156青岛科技大学物理实验室\n实验要求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。2021/6/157青岛科技大学物理实验室\n1、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。实验原理2021/6/158青岛科技大学物理实验室\n2、驻波法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。2021/6/159青岛科技大学物理实验室\n3、相位法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=2πl/λS1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2021/6/1510青岛科技大学物理实验室\n李萨如图随相位的变化图形相位差2021/6/1511青岛科技大学物理实验室\n实验仪器SBZ-A超声声速测定仪SBZ-A专用信号源SS-5702A双踪示波器2021/6/1512青岛科技大学物理实验室\n实验步骤驻波法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。2021/6/1513青岛科技大学物理实验室\n实验步骤相位法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。2021/6/1514青岛科技大学物理实验室\n实验步骤双踪法1）发射端信号接“CH1”，接收端信号接“CH2，垂直方式（YMOOD）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。2021/6/1515青岛科技大学物理实验室\nλ=1.000cmf0=34000KHzV=331m/s参考数据1、驻波法实验数据频率f=34.905（KHz）室温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序号2021/6/1516青岛科技大学物理实验室\n对测量量L，B类不确定度不确定度A类不确定度2021/6/1517青岛科技大学物理实验室\n这样则速度V的完整表示为V=(351.8±0.4)m/sEv=0.09﹪2021/6/1518青岛科技大学物理实验室\n当温度为t时，空气中声速则实验测量值与理论计算值的相对百分误差为2021/6/1519青岛科技大学物理实验室\n2．相位法实验数据（每隔2测一次）频率f=34.626（KHz）室温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序号2021/6/1520青岛科技大学物理实验室\n对测量量L，其平均值的A类不确定度B类不确定度则总不确定度2021/6/1521青岛科技大学物理实验室\n这样速度V的完整表示为V=(352.4±0.6)m/sE=0.16﹪2021/6/1522青岛科技大学物理实验室\n当温度为t时，空气中声速则实验测量值与理论计算值的相对百分误差为2021/6/1523青岛科技大学物理实验室\n3．双踪显示法实验数据（选作）频率f=34.626（KHz）室温t=22℃）序号12345678910Xi(cm)11.66212.66813.67214.67615.65816.66017.55818.64819.65620.6402021/6/1524青岛科技大学物理实验室