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1、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,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,2,第二章 振动与波动,2.1声速测量2.2空气中声速的测定,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,3,2.1 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，
2、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，,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,4,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，
3、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,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,6,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,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,7,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。,2023/10
4、/25,青岛科技大学物理实验室,8,1、基本原理声速 若固定频率为 f=f0（共振频率），通过波长测量，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,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,9,2、驻波法,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/2整数倍时，接收面S2上的声压达到极大值。,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,10,3、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=t=2f/v=2 l/
5、S1与S2之间变化一个波长，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。,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,11,李萨如图随相位的变化,图 形,相位差,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,12,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,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,13,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
6、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。,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,14,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。,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,15,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（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）
7、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。,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,16,=1.000cm f0=34000KHz V=331m/s,参考数据,1、驻波法实验数据 频率f=34.905（KHz）室温t=22（）,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,17,对测量量L，,B类不确定度,不确定度,A类不确定度,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,18,这样,则,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,19
8、,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,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,20,2相位法实验数据（每隔2 测一次）,频率 f=34.626（KHz）室温t=22（）,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,21,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,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,22,这样,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,23,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,2023/10/25,青岛科技大学物理实验室,24,3双踪显示法实验数据（选作）频率 f=34.626（KHz）室温t=22）,
