大学物理实验说课材料

因 则
L iL i 5 L i /5
V F Li / 2
V F F 2 L i F 2 L i 5 L i / 5
4、理想气体中的声速
声速在常温空气中传播，可以视为是以绝热过 程在理想气体中传播，由热力学理论可知声速公式 为：
V rRT
式中，R是摩尔气体常数（R=8.31J （mol.k））， r是气体的比热容比，μ为相对分子质量，T为热力学 温度。
当 △φ 0→π △L= λ/2
两种实验方法，各可顺序测得10个S2的极大值位置 即可进行数据处理，求V。
3．逐差法处理数据 对上述数据的处理，若采用两相邻极大值所对应
的位置相减再取和得到λ，但这样则在计算时，出现
中间数据点未起作用。在本实验中用逐差法处理数据，
即把10个数据分成两组，逐次求差算平均值λ。
大学物理实验
声速测定
北京工业大学 物理实验室
内容介绍
1，背景介绍 2，实验目的 3，实验原理 4，仪器介绍 5，实验内容 6，实验步骤 7，数据处理要求 8，注意事项
一、背景介绍（引言）
1、声学是即古老又年轻的学科，它有着悠久的发 展历史，而近代声学研究已经广泛渗入到科学研 究、国民经济以及国防建设等各个领域，形成了 一些新的交叉学科。 在应用研究方面，如超声马达的研究得到国家 多项基金的支持，2001年研制出当时世界上最 细的弯曲旋转超声马达。
μ与r进行修正，在温度为t，相对湿度为r的空气中的声速
为：
V33.4151t10.31r9sp2
T0
p
式中，ps为室温时的饱和蒸气压，可从饱和蒸气压 与温度关系表中查出（P259）。P为标准大气压
取 p1 .01 13 5p 0， 相对湿度r（%) 可从实验室的干 a
湿温度表上查出。
六、实验步骤
VF-------（1）
式中，声波的频率F由信号发生器直接读出， 波长λ由共振干涉法或相位比较法分别测得。
四、仪器介绍
信号发生器 ， 示波器， 声速测定仪
五、实验内容
1、共振干涉法 实验装置如图1所示
压电陶瓷换能器
S2
S1
示波器 Y地 X
声速测定仪
图1
信号发生器
图1中S1和S2为压电陶瓷换能器，S1作为超声波 源，S2为超声波接收器。
3、相位比较法测声速
按图7-22接线，发射端S1接信号发生器CH1 ，接收 端S2接至示波器通道1（CH1）。再从信号发生器CH2接 示波器通道2（CH2），按下示波器 xy 键，示波器将显 示由CH1和CH2正旋信号的合成利萨如图形。
摇动声速测试仪手柄，由近及远使S2缓慢移 动，逐个记下示波器上相继出现利萨如图形为斜 线时的S2的位置L1、L2、…、L10，填入数据表 计算V 。
S2
S1
示波器
Y地X
声速测定仪
信号发生器
图3
沿波的传播方向移动接收器S2总可以找到一点 使接收到信号与发射器信号的位相相同；继续移动 接收器S2，接收到的信号再次与发射器信号的位相 相同时，移过的距离等于声波的波长。可以利用李 萨如图形来判断相位差。
当输入示波器的是两个频率严格一致的信号， 则李萨如图一般情况下是稳定的椭圆。当两个信号 的位相差由 0变为π时，李萨如图由斜率为正的直 线变为斜率为负的直线， S2的位置改变半波长。
1、准备工作 按图7-21接线，发射端S1接信号发生器，
接收端S2接至示波器通道1（CH1）。调整测 试系统达到谐振，得到频率 F。（P257(2)）
2、共振干涉法测声速
摇动声速测试仪手把，使接收端S2缓慢移 动，由近及远逐个记下示波器上相继出现10个 信号极大值时的S2的位置L1、L2、…、L10,填 入数据表，计算V 。
2
----ห้องสมุดไป่ตู้----（2）
图2
图2中各极大值之间的距离均为 1/2 ，由于散射 和其他损耗，各极大值幅值随距离增大而逐渐减小。
我们只要测出示波器各电压信号极大值对应的接 收器S2的位置，就可测出波长。由信号发生器读出超 声波的频率值后，即可由公式（1）求得声速。
2．相位比较法
实验装置如图3所示 压电陶瓷换能器
在基础研究方面，曾在液晶非线性动力学问题 的研究中，发现指向波。
目前在进行研究课题有： 超声马达、热声制冷、声致发 光，时空有限的波在界面上的反射、透射、厅堂声混响、磁 流体声波等，以及声波在工程检测中的应用等问题等。
2、声波是在弹性媒质中传播的一种机械波，由于其振动方向
与传播方向一致，故声波是纵波。振动频率在20 Hz～20 kHz 之间的声波可以被人们听到，称为可闻声波；频率超过 20KHz的声波称为超声波。
对于声波特性的测量（如频率、波速、波长、声压衰减和
相 位等）是声学应用技术中的一个重要内容，特别是声波 波速（简称声速）的测量，在声波定位、探伤、测距等应用 中具有重要的意义。
二、实验目的
1、学习测量流体中声速的两种方法：共振干涉法和相 位比较法；
2、加深对驻波和振动合成理论的理解； 3、了解压电陶瓷换能器的结构和功能； 4、进一步熟悉示波器的使用。
温度若以摄氏温度t计算，则 T T 0 t( T 0 2.1 3 K ) 5 7
V rRT
V0
1 t T0
rRT0 1 t
T0
式中，V0为气体在0 0C的声速，在空气介质中 V0=331.45 m/s。因此，温度为t时空气中的声速
V33.1451 t T
0
另，考虑到空气中含有水蒸气的情况下，要对空气中的
声波传至S2的接收面上时，将被反射。由物理知 识可知，在接收器S2表面，从振动位移来说是波节， 从声压来说是波腹，当S1和S2之间形成谐振（驻波） 腔时，接收器S2接收到的声压是极大值，经接收器转 换成电信号，从示波器上观察到的电压信号幅值也是 极大值，由驻波知识可知，两相邻波节的距离为半波 长
L
三、实验原理
声速的测量方法可以分为两类 :
➢一类是根据运动学理论：V=L/T， 通过测量传播的距离L与所用的时间相比而获得V，
➢另一类是根据波动学理论V=F×λ, 通过测量声波的频率F与波长λ而获得V。
本实验采用波动学理论 VF方法进行。由于
超声波具有波长短，易于定向发射、相互干涉小等优点， 我们采用压电陶瓷换能器为波源进行声波发射与接收。在 测出声波的频率F与波长λ后利用公式得到V 。