驻波法

大学物理实验教案实验名称：空气中声速的测定1、实验目的（1）学会用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。（2）进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。（3）学会用逐差法处理数据。2、实验仪器超声声速测定仪、低频信号发生器DF1027B、示波器ST16B。3、实验原理3．1 实验原理声速V、频率f 和波长λ之间的关系式为V f 。如果能用实验方法测量声波的频率f和波长λ，即可求得声速V。常用的测量声速的方法有以下两种。3．2 实验方法3．2．1 驻波共振法（简称驻波法）S1 发出的超声波和S 2 反射的超声波在它们之间的区域内相干涉而形成驻波。当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时，此驻波的振幅才达到最大值，此时的频率为共振频率。驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关，还取决于边界条件，在声速实验中，S1 、S 2 即为两边界，且必定是波节，其间可以有任意个波节，所以驻波的共振条件为：Ln n 123 2 （1）即当S1 和S 2 之间的距离L 等于声波半波长的整数倍时，驻波系统处于共振状态，驻波振幅最大。在示波器上得到的信号幅度最大。当L 不满足（1）式时，驻波系统偏离共振状态，驻波振幅随之减小。移动S 2 ，可以连续地改变L 的大小。由式（1）可知，任意两个相邻共振状态之间，即S 2 所移过的距离为：L L n 1 Ln n 1 n 2 2 2 （2）可见，示波器上信号幅度每一次周期性变化，相当于L 改变了 2 。此距离 2 可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得，频率可由低频信号发生器上的频率计读得，根据V f ，就可求出声速。3．2．2 两个相互垂直谐振动的合成法（简称相位法）在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李沙如图形。其轨迹方程为：2 2 X Y Cos 2 1 Sin 2 2 1 2 XY A1 A2 A1 A2 （5）2 1 0 在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。当相位差时，由（5）式，得y A2 x A1 ，即轨迹为一条处在于第一和第三象限的直线参见图16—2a。2 2 x y 2 1 2 2 1 当2 时，得A1 A2 ，轨迹为以坐标轴为主轴的椭圆A y 2 x 2 1 A1 ，轨迹为处于第二和第四象限的一条直线。当时，得改变S1 和S 2 之间的距离L ，相当于改变了发射波和接受波之间的相位差2 1（，）荧光屏上的图形也随之变化。显然，L 每变化半个波长（即L Ln 1 Ln 2 ，位相差就变化。随着振动相位差从0→的变化，李沙如图形就按图16——2a →（b）→c变化。因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线。测得波长和频率f，根据V f ，就可计算出声速。4、教学内容（1）熟悉声速测定仪该仪器由支架、游标卡尺和两只超声压电换能器组成。两只超声压电换能器的位置分别与游标卡尺的主尺和游标相对定位，所以两只换能器相对位置距离的变化量可由游标卡尺直接读出。两只超声压电换能器，一只为发射声波用（电声转换），一只为接收声波（声电转换），其结构完全相同。发射器的平面端面用以产生平面声波；接收器的平面端面则为声波的接收面和反射面。压电换能器产生的波具有平面性、单色性好以及方向性强的特点。同时可以控制频率在超声波范围内，使一般的音频对它没有干扰。（2）驻波法测量声速1）按图接好线路，把换能器S1 引线插在低频信号发生器的“功率输出孔”，把换能器S2 接到示波器的“Y input”。2）打开电源开关，把频率倍乘按钮×10K 压入，调节幅度电位器，使数码显示屏读数。5--8V 电压电压衰减按钮为20dB；波形选择为正弦波（弹出状态）3）压入示波器电源开关，把示波器Y 衰减开关VOLTS/DIV 置0.5v 档，Y 输入方式置AC位。扫描档TIME/DIV 为20us，触发源（触发TRIG）选择“内同步INT”；触发方式为“自动”。4）移动S2 位置，目测S1 与S2 的距离为3cm 左右，调整低频信号发生器的“频率调节”波段开关，调节频率微调电位器，使数码显示屏的频率读数为34.000—36.000KHz 范围。观察示波器，当屏幕的波形幅度最大时，说明换能器S1 处于共振状态。记下频率f 值（实验。过程中，频率f 不许改变，否则影响实验数据）5）示波器荧幕的波形若不在中央，可调节垂直或水平位移电位器；波形太小（可能不稳定）或太大，可调节Y 增益电位器VARIABLE，使波形幅度适中。6）注意：实验过程中不要用手触摸两个换能器，以免影响测量精确性。7）向右稍移S2，并调整游标卡尺的微调螺丝，同时观察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超过屏幕，可调整Y 增益

VARIABLE，使波形满屏。记下S2 的初始位置L0。8 由近至远慢慢移动接收器S2，逐个记下九个幅度最大的位置（即Li 值）。（3）相位法测声速1）把示波器触发方式选择“外接”。2）把示波器的“Y input”接超声波测速仪的接收器S2示波器“X 输入”联接到低频信号发生器的电压输出（不能接同步输出）。3）把S2 调回距S1 大约3cm，移动接收换能器S2，调节游标卡尺微调螺丝，同时观察示波器的图形变化，使图形为“/”，记下S2 初始位置LO。4）由近至远，慢慢移动S2并注意观察图形变化，逐下记下每发生一次半周期变化（即图形由“/”直线变到“”直线）接收换能器S2 的位置读数Li 值，共测十个数据。5）实验完毕，关掉电源，整理好仪器。5、实验教学组织及教学要求（1）教学组织1）检查学生的预习实验报告，同时给学生5-10 分钟时间熟悉仪器，对本实验有一定的感性认识。2）讲解实验要点及注意事项，同时以提问的方式检查学生的预习情况，加深学生对实验原理的理解。3）随时注意学生的实验操作过程，及时指导解决学生实验中出现的突发情况。4）检查每个学生的实验数据，记录实验情况。（2）教学要求1）能够利用以前学过的示波器使用方法设计本实验有关示波器的调节步骤；2）能够理解驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度的原理；3）要求能够理解影响声波传播速度的几个因素；准备报道实验结果。6、实验教学重点及难点1）重点：掌握用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。进一步熟练掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。2）难点：独立设计本实验有关示波器的调节步骤；准确判断是否形成驻波。7、实验中容易出现的问题1）换能器未达到共振状态就记录声波频率；2）待测声波在两个换能器之间并未形成驻波，就开始进行测量；3）记录实验数据时漏掉室温。8、实验参考数据1）驻波法测量声速共振频率 f 34.583KHz 表1 驻波法测量波长的测量数据次序Li 10 3 mm 次序Li 10 3 mm Li 5 Li 10 3 mm v LI 5 Li 10 3 mm 1 93.72 6 119.54 25.82 0.012 2 98.84 7 124.70 25.86 0.028 3 104.02 8 129.90 25.88 0.048 4 109.22 9 135.02 25.80 0.032 5 114.38 10 140.18 25.80 0.032逐差法处理表1 数据1 5 2 SL I 5 Li vL L n 1 i 1 i 5 i 0.036 mm标准偏差C n S Li 5 Li 1.65 0.036 0.06 v LI 5 Li m 0.02uB 0.012mm 3 3合成不确定度为u LI 5 LI u A u B S Li 5 Li u B 0.036 2 0.012 2 0.038mm 2 2 2 2 mf 0.346 uf 0.2 H Z 频率f 不确定度3 3声速V 的相对不确定度uf u LI 5 Li 0 .2 2 0.038 2EV 2 2 0.006 0.6 f Li 5 Li 34.583 25.832声速的计算2 2 V f Li 5 Li 34.583 25.832 357.34m / s 5 5声速V 不确定度为uV VEV 357.34 0.006 3m / s 室温时声速结果表达式：V V uV 357.34 0.006m / s p 0.683 EV 0.62）相位法测量声速参考驻波法。9、实验结果检查方法1）声波的频率值是否与实验中所用换能器的共振频率值相符；2）形成相邻两个驻波时的接收换能器位置合理；3）相位法中，图形由“/”直线变到“”直线，或由“”直线变到“/”直线，接收换能器S2 的位置读数合理。10、课堂实验预习检查相关题目1）如何调节示波器使其能用来观察某电信号的波形？2）如何判断换能器是否共振？3）如何正确读取换能器的位置？4）如何利用示波器观察两个相互垂直的电信号的合成图形？11 思考题1）为什么需要在驻波系统共振状态下进行声速的测量？2）是否可以用上述方法测量声波在液体或固体中的传播速度？如何进行？3）用驻波法测量声速时，改变S1 和S2 之间的距离时，示波器上的波形振幅有时极大有时极小。说明极大或极小时，接收器S2 是处于波腹还是波节位置？