大學(xué)物理試驗教案

1、大學(xué)物理實驗教案實驗名稱：空氣中聲速的測定1、實驗?zāi)康?學(xué)會用駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度。2進一步掌握示波器、低頻信號發(fā)生器的使用方法。3學(xué)會用逐差法處理數(shù)據(jù)。2、實驗儀器超聲聲速測定儀、低頻信號發(fā)生器DF1027B示波器ST16B3、實驗原理3. 1 實驗原理聲速V頻率f和波長入之間的關(guān)系式為 V = f '。如果能用實驗方法測量聲波的頻率f和波長入，即可求得聲速 V。常用的測量聲速的方法有以下兩種。3. 2 實驗方法3. 2. 1駐波共振法簡稱駐波法$發(fā)出的超聲波和 S2反射的超聲波在它們之間的區(qū)域內(nèi)相干預(yù)而形成駐波。當波源的 頻率和駐波系統(tǒng)的固有頻率相等時，此駐波的振

2、幅才到達最大值，此時的頻率為共振頻率。駐波系統(tǒng)的固有頻率不僅與系統(tǒng)的固有性質(zhì)有關(guān)，還取決于邊界條件，在聲速實驗中，S1、S2即為兩邊界，且必定是波節(jié)，其間可以有任意個波節(jié)，所以駐波的共振條件為：, k L =n , n =1,2,32 1即當Si和S2之間的距離L等于聲波半波長的整數(shù)倍時，駐波系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，駐波振幅 最大。在示波器上得到的信號幅度最大。當L不滿足1式時，駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)，駐波振幅隨之減小。移動S2，可以連續(xù)地改變 L的大小。由式1可知，任意兩個相鄰共振狀態(tài)之間，即S2所移過的距離為:(2)可見，示波器上信號幅度每一次周期性變化，相當于L改變了 2。此距離2可由超聲聲速測

3、定儀上的游標卡尺測得，頻率可由低頻信號發(fā)生器上的頻率計讀得，根據(jù)V二訐，就可求出聲速。3. 2. 2兩個相互垂直諧振動的合成法簡稱相位法在示波器熒光屏上就出現(xiàn)兩個相互垂直的同頻率的諧振動的合成圖形一一稱為李沙如 圖形。其軌跡方程為：X'Y2XY廠砧 什i2砧 命i一 + | Cos®?% =Sin 傘2-屮1 丿 'A2 J A1A2 5在一般情況下，此李沙如圖形為橢圓。當相位差人，2 0時，由5式，得A2xAi即軌跡為一條處在于第一和第三象限的直線參見圖16 2(a)： 2 -二 當212時,軌跡為以坐標軸為主軸的橢圓y_A2x當2 -】X時，得 一 A1 ,軌跡為

4、處于第二和第四象限的一條直線。改變$和S2之間的距離L，相當于改變了發(fā)射波和接受波之間的相位差二2 - 1，熒光屏上的圖形也隨之變化。顯然，L每變化半個波長即2，位相差就變化二。隨著振動相位差從0t二的變化，李沙如圖形就按圖16 2ab c變化。因此，每移動半個波長，就會重復(fù)出現(xiàn)斜率符號相反的直線。測得波長和頻率f,根據(jù)V二廠，就可計算出聲速。4、教學(xué)內(nèi)容1熟悉聲速測定儀該儀器由支架、游標卡尺和兩只超聲壓電換能器組成。兩只超聲壓電換能器的位置分別與游標卡尺的主尺和游標相對定位，所以兩只換能器相對位置距離的變化量可由游標卡尺直 接讀出。兩只超聲壓電換能器，一只為發(fā)射聲波用電聲轉(zhuǎn)換，一只為接收聲波

5、聲電轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)完全相同。發(fā)射器的平面端面用以產(chǎn)生平面聲波；接收器的平面端面那么為聲波的接收面和反射面。壓電換能器產(chǎn)生的波具有平面性、單色性好以及方向性強的特點。同時可以控制頻率在超聲波范圍內(nèi)，使一般的音頻對它沒有干擾。2駐波法測量聲速1 按圖接好線路，把換能器S引線插在低頻信號發(fā)生器的“功率輸出孔，把換能器S?接到示波器的“ Y in put 。2 翻開電源開關(guān)，把頻率倍乘按鈕X10K壓入，調(diào)節(jié)幅度電位器，使數(shù)碼顯示屏讀數(shù)5-8V電壓，電壓衰減按鈕為20dB;波形選擇為正弦波彈出狀態(tài)。3 壓入示波器電源開關(guān)，把示波器Y衰減開關(guān)VOLTS/DIV置0.5v檔，Y輸入方式置 AC 位。掃描檔TI

6、ME/DIV為20us，觸發(fā)源觸發(fā) TRIG選擇“內(nèi)同步INT ；觸發(fā)方式為“自 動。4 移動S位置，目測S與S2的距離為3cm左右，調(diào)整低頻信號發(fā)生器的“頻率調(diào)節(jié)波段開關(guān)，調(diào)節(jié)頻率微調(diào)電位器，使數(shù)碼顯示屏的頻率讀數(shù)為34.000 36.000KHZ范圍。觀察示波器，當屏幕的波形幅度最大時，說明換能器S處于共振狀態(tài)。記下頻率f值實驗過程中，頻率f不許改變，否那么影響實驗數(shù)據(jù)。5 示波器熒幕的波形假設(shè)不在中央，可調(diào)節(jié)垂直或水平位移電位器；波形太小可能不 穩(wěn)定或太大，可調(diào)節(jié) Y增益電位器VARIABLE使波形幅度適中。6注意：實驗過程中不要用手觸摸兩個換能器，以免影響測量精確性。7 向右稍移S2,

7、并調(diào)整游標卡尺的微調(diào)螺絲，同時觀察示波器上波形，使波形幅度最 大，幅度如果超過屏幕，可調(diào)整Y增益VARIABLE使波形滿屏。記下 S2的初始位置L。8由近至遠慢慢移動接收器 S2，逐個記下九個幅度最大的位置即 Li值。3相位法測聲速1 把示波器觸發(fā)方式選擇“外接。2 把示波器的“ Y in put 接超聲波測速儀的接收器Sa,示波器“ X輸入聯(lián)接到低頻信號發(fā)生器的電壓輸出不能接同步輸出。3 把Sa調(diào)回距Si大約3cm,移動接收換能器 S2,調(diào)節(jié)游標卡尺微調(diào)螺絲，同時觀察示 波器的圖形變化，使圖形為“ /，記下Sa初始位置L。4 由近至遠，慢慢移動Sa,并注意觀察圖形變化，逐下記下每發(fā)生一次半周

8、期變化即圖形由“ /直線變到“ 直線接收換能器 Sa的位置讀數(shù)Li值，共測十個數(shù)據(jù)。5實驗完畢，關(guān)掉電源，整理好儀器。5、實驗教學(xué)組織及教學(xué)要求1 教學(xué)組織1 檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)實驗報告，同時給學(xué)生5-10分鐘時間熟悉儀器， 對本實驗有一定的 感性認識。2講解實驗要點及考前須知，同時以提問的方式檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，加深學(xué)生對實 驗原理的理解。3隨時注意學(xué)生的實驗操作過程，及時指導(dǎo)解決學(xué)生實驗中出現(xiàn)的突發(fā)情況。4檢查每個學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)，記錄實驗情況。2 教學(xué)要求1能夠利用以前學(xué)過的示波器使用方法設(shè)計本實驗有關(guān)示波器的調(diào)節(jié)步驟；2能夠理解駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度的原理；3要求能夠理解影響

9、聲波傳播速度的幾個因素；準備報道實驗結(jié)果。6實驗教學(xué)重點及難點1重點：掌握用駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度。進一步熟練掌握示波器、 低頻信號發(fā)生器的使用方法。2難點：獨立設(shè)計本實驗有關(guān)示波器的調(diào)節(jié)步驟；準確判斷是否形成駐波。7、實驗中容易出現(xiàn)的問題1換能器未到達共振狀態(tài)就記錄聲波頻率；2待測聲波在兩個換能器之間并未形成駐波，就開始進行測量；3 記錄實驗數(shù)據(jù)時漏掉室溫。8、實驗參考數(shù)據(jù)1 駐波法測量聲速共振頻率f =34.583KHz表1駐波法測量波長的測量數(shù)據(jù)次序Li 10 "mm次序Li 10“mmLi 5 - L 10mmVli 5丄i 10'mm193.7261

10、19.5425.820.012298.847124.7025.860.0283104.028129.9025.880.0484109.229135.0225.800.0325114.3810140.1825.800.032逐差法處理表1數(shù)據(jù)標準偏差SL12.n 一1丄=0.036 mmCnSl 丄 1.65 0.036 = 0.06 丄 Vln Li 5 丄iLI -5m 0.02 cw u b0.012mmr：-. 3- 3合成不確定度為U L| 5 丄I = ； U A U B =SLi 5 丄 U BU 心mf頻率f不確定度彳、30.03620.0122詈0.2心=0.038( mm)聲

11、速V的相對不確定度U f 2U Li 5 丄 2J(Li.5-Li)聲速的計算22V f(Li5-LJ34.583 25.832 =357.34(m/s)55Ev(0.2 )2( 0.038 )2J 34.583)(25.832)= 0.006 = 0.6%聲速V不確定度為uv 二VEV =357.34 0.006 =3m/s室溫時聲速結(jié)果表達式：V =V ±氐=357.34±0.006m/sp=0.683£V =0.6%2相位法測量聲速參考駐波法。9、實驗結(jié)果檢查方法1聲波的頻率值是否與實驗中所用換能器的共振頻率值相符；2形成相鄰兩個駐波時的接收換能器位置合理；3 相位法中，圖形由“ /直線變到“ 直線，或由“ 直線變到“ /直線，接收 換能器S2的位置讀數(shù)合理。10、課堂實驗預(yù)習(xí)檢查相關(guān)題目1 如何調(diào)節(jié)示波器使其能用來觀察某電信號的波形？2如何判斷