大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)ppt課件

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)聲速測(cè)定聲速測(cè)定 北京工業(yè)大學(xué)北京工業(yè)大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)容引見(jiàn)1，背景引見(jiàn)，背景引見(jiàn)2，實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)驗(yàn)?zāi)康?，實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)原理4，儀器引見(jiàn)，儀器引見(jiàn)5，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容6，實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)步驟7，數(shù)據(jù)處置要求，數(shù)據(jù)處置要求8，本卷須知，本卷須知一、背景引見(jiàn)引言一、背景引見(jiàn)引言u(píng)聲學(xué)是即古老又年輕的學(xué)科，它有著悠久的開(kāi)聲學(xué)是即古老又年輕的學(xué)科，它有著悠久的開(kāi)展歷史，而近代聲學(xué)研討曾經(jīng)廣泛滲入到科學(xué)研展歷史，而近代聲學(xué)研討曾經(jīng)廣泛滲入到科學(xué)研討、國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)防建立等各個(gè)領(lǐng)域，構(gòu)成了討、國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)防建立等各個(gè)領(lǐng)域，構(gòu)成了一些新的交叉學(xué)科。一些新的交叉學(xué)科。

2、1、u在運(yùn)用研討方面，如超聲馬達(dá)的研討得到國(guó)家在運(yùn)用研討方面，如超聲馬達(dá)的研討得到國(guó)家多項(xiàng)基金的支持，多項(xiàng)基金的支持，2019年研制出當(dāng)時(shí)世界上最年研制出當(dāng)時(shí)世界上最細(xì)的彎曲旋轉(zhuǎn)超聲馬達(dá)。細(xì)的彎曲旋轉(zhuǎn)超聲馬達(dá)。 u在根底研討方面，曾在液晶非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題在根底研討方面，曾在液晶非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題u的研討中，發(fā)現(xiàn)指向波。的研討中，發(fā)現(xiàn)指向波。u目前在進(jìn)展研討課題有：目前在進(jìn)展研討課題有： 超聲馬達(dá)、熱聲制冷、聲致發(fā)超聲馬達(dá)、熱聲制冷、聲致發(fā)光，時(shí)空有限的波在界面上的反射、透射、廳堂聲混響、磁光，時(shí)空有限的波在界面上的反射、透射、廳堂聲混響、磁流體聲波等，以及聲波在工程檢測(cè)中的運(yùn)用等問(wèn)題等。流體聲波

3、等，以及聲波在工程檢測(cè)中的運(yùn)用等問(wèn)題等。2、u聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的一種機(jī)械波，由于其振動(dòng)方向聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的一種機(jī)械波，由于其振動(dòng)方向與傳播方向一致，故聲波是縱波。振動(dòng)頻率在與傳播方向一致，故聲波是縱波。振動(dòng)頻率在20 Hz20 kHz之間的聲波可以被人們聽(tīng)到，稱為可聞聲波；頻率超越之間的聲波可以被人們聽(tīng)到，稱為可聞聲波；頻率超越20KHz的聲波稱為超聲波。的聲波稱為超聲波。u對(duì)于聲波特性的丈量如頻率、波速、波長(zhǎng)、聲對(duì)于聲波特性的丈量如頻率、波速、波長(zhǎng)、聲壓衰減和相壓衰減和相 位等是聲學(xué)運(yùn)用技術(shù)中的一個(gè)重要位等是聲學(xué)運(yùn)用技術(shù)中的一個(gè)重要內(nèi)容，特別是聲波波速簡(jiǎn)稱聲速的丈量，在聲內(nèi)容，

4、特別是聲波波速簡(jiǎn)稱聲速的丈量，在聲波定位、探傷、測(cè)距等運(yùn)用中具有重要的意義。波定位、探傷、測(cè)距等運(yùn)用中具有重要的意義。聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的特性，如介質(zhì)的密度、溫度、壓聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的特性，如介質(zhì)的密度、溫度、壓力和彈性模量等，同時(shí)聲波的能量聲強(qiáng)隨著動(dòng)搖的進(jìn)展在力和彈性模量等，同時(shí)聲波的能量聲強(qiáng)隨著動(dòng)搖的進(jìn)展在介質(zhì)中傳播。介質(zhì)中傳播。 3、例例 幾種介質(zhì)中的聲速介質(zhì)介質(zhì)溫度（溫度（C）聲速聲速(m/s)(m/s)空氣（空氣（1atm）0331空氣（空氣（1atm）20343水水201460花崗巖花崗巖03950鋁鋁205100二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)丈量流體中聲速的兩種方

5、法：共振干涉法和相、學(xué)習(xí)丈量流體中聲速的兩種方法：共振干涉法和相 位比較法；位比較法；2、加深對(duì)駐波和振動(dòng)合成實(shí)際的了解；、加深對(duì)駐波和振動(dòng)合成實(shí)際的了解；3、了解壓電陶瓷換能器的構(gòu)造和功能；、了解壓電陶瓷換能器的構(gòu)造和功能；4、進(jìn)一步熟習(xí)示波器的運(yùn)用。、進(jìn)一步熟習(xí)示波器的運(yùn)用。三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理聲速的丈量方法可以分為兩類聲速的丈量方法可以分為兩類 :一類是根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)際：一類是根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)際：V=L/T， 經(jīng)過(guò)丈量傳播的間隔經(jīng)過(guò)丈量傳播的間隔L與所用的時(shí)間相比而獲得與所用的時(shí)間相比而獲得V，另一類是根據(jù)動(dòng)搖學(xué)實(shí)際另一類是根據(jù)動(dòng)搖學(xué)實(shí)際V=F, 經(jīng)過(guò)丈量聲波的頻率經(jīng)過(guò)丈量聲波的頻率F與波

6、長(zhǎng)與波長(zhǎng)而獲得而獲得V。 本實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)搖學(xué)實(shí)際本實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)搖學(xué)實(shí)際 方法進(jìn)展。由于方法進(jìn)展。由于超聲波具有波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射、相互關(guān)涉小等優(yōu)點(diǎn)，超聲波具有波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射、相互關(guān)涉小等優(yōu)點(diǎn)，我們采用壓電陶瓷換能器為波源進(jìn)展聲波發(fā)射與接納。在我們采用壓電陶瓷換能器為波源進(jìn)展聲波發(fā)射與接納。在測(cè)出聲波的頻率測(cè)出聲波的頻率F與波長(zhǎng)與波長(zhǎng)后利用公式得到后利用公式得到V 。FV FV -1 式中，聲波的頻率式中，聲波的頻率F由信號(hào)發(fā)生器直接讀出，由信號(hào)發(fā)生器直接讀出，波長(zhǎng)波長(zhǎng)由共振干涉法或相位比較法分別測(cè)得。由共振干涉法或相位比較法分別測(cè)得。四、儀器引見(jiàn)四、儀器引見(jiàn)信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器 ， 示波器

7、，示波器， 聲速測(cè)定儀聲速測(cè)定儀五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、共振干涉法、共振干涉法 聲速測(cè)定儀 示波器Y 地 X 信號(hào)發(fā)生器 壓電陶瓷換能壓電陶瓷換能器器 S2 S1實(shí)驗(yàn)安裝如圖實(shí)驗(yàn)安裝如圖1所示所示 圖圖1 圖圖1中中S1和和S2為壓電陶瓷換能器，為壓電陶瓷換能器，S1作為超聲波作為超聲波源，源，S2為超聲波接納器。為超聲波接納器。 聲波傳至聲波傳至S2的接納面上時(shí)，將被反射。由物理知的接納面上時(shí)，將被反射。由物理知識(shí)可知，在接納器識(shí)可知，在接納器S2外表，從振動(dòng)位移來(lái)說(shuō)是波節(jié)，外表，從振動(dòng)位移來(lái)說(shuō)是波節(jié)，從聲壓來(lái)說(shuō)是波腹，當(dāng)從聲壓來(lái)說(shuō)是波腹，當(dāng)S1和和S2之間構(gòu)成諧振駐波之間構(gòu)成諧振駐波腔

8、時(shí)，腔時(shí)， -2 接納器接納器S2接納到的聲壓是極大值，經(jīng)接納器轉(zhuǎn)接納到的聲壓是極大值，經(jīng)接納器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從示波器上察看到的電壓信號(hào)幅值也是換成電信號(hào)，從示波器上察看到的電壓信號(hào)幅值也是極大值，由駐波知識(shí)可知，兩相鄰波節(jié)的間隔為半波極大值，由駐波知識(shí)可知，兩相鄰波節(jié)的間隔為半波長(zhǎng)長(zhǎng) 2L 圖圖 2 圖圖2中各極大值之間的間隔均為中各極大值之間的間隔均為 1/2 ，由于散射，由于散射和其他損耗，各極大值幅值隨間隔增大而逐漸減小。和其他損耗，各極大值幅值隨間隔增大而逐漸減小。 我們只需測(cè)出示波器各電壓信號(hào)極大值對(duì)應(yīng)的接我們只需測(cè)出示波器各電壓信號(hào)極大值對(duì)應(yīng)的接納器納器S2的位置，就可測(cè)出波長(zhǎng)的

9、位置，就可測(cè)出波長(zhǎng)。由信號(hào)發(fā)生器讀出。由信號(hào)發(fā)生器讀出超聲波的頻率值后，即可由公式超聲波的頻率值后，即可由公式1求得聲速。求得聲速。 2相位比較法相位比較法實(shí)驗(yàn)安裝如圖實(shí)驗(yàn)安裝如圖3所所示示 壓電陶瓷換能器壓電陶瓷換能器 S2 S1 聲速測(cè)定儀 示波器 Y 地 X 信號(hào)發(fā)生器 圖圖 3兩種實(shí)驗(yàn)方法，各可順序測(cè)得兩種實(shí)驗(yàn)方法，各可順序測(cè)得10個(gè)個(gè)S2的極大值位置的極大值位置即可進(jìn)展數(shù)據(jù)處置，求即可進(jìn)展數(shù)據(jù)處置，求V。 沿波的傳播方向挪動(dòng)接納器沿波的傳播方向挪動(dòng)接納器S2總可以找到一點(diǎn)總可以找到一點(diǎn)使接納到信號(hào)與發(fā)射器信號(hào)的位相一樣；繼續(xù)挪動(dòng)使接納到信號(hào)與發(fā)射器信號(hào)的位相一樣；繼續(xù)挪動(dòng)接納器接納器

10、S2，接納到的信號(hào)再次與發(fā)射器信號(hào)的位相，接納到的信號(hào)再次與發(fā)射器信號(hào)的位相一樣時(shí)，移過(guò)的間隔等于聲波的波長(zhǎng)。可以利用李一樣時(shí)，移過(guò)的間隔等于聲波的波長(zhǎng)?？梢岳美钏_如圖形來(lái)判別相位差。薩如圖形來(lái)判別相位差。 當(dāng)輸入示波器的是兩個(gè)頻率嚴(yán)厲一致的信號(hào)，當(dāng)輸入示波器的是兩個(gè)頻率嚴(yán)厲一致的信號(hào)，那么李薩如圖普通情況下是穩(wěn)定的橢圓。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)那么李薩如圖普通情況下是穩(wěn)定的橢圓。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的位相差由的位相差由 0變?yōu)樽優(yōu)闀r(shí)，李薩如圖由斜率為正的直時(shí)，李薩如圖由斜率為正的直線變?yōu)樾甭蕿樨?fù)的直線，線變?yōu)樾甭蕿樨?fù)的直線， S2的位置改動(dòng)半波長(zhǎng)。的位置改動(dòng)半波長(zhǎng)。 當(dāng)當(dāng) 0 L= /2 3逐差法處置數(shù)據(jù)逐差法處

11、置數(shù)據(jù) 對(duì)上述數(shù)據(jù)的處置，假設(shè)采用兩相鄰極大值所對(duì)應(yīng)的位置相減再取和得到，但這樣那么在計(jì)算時(shí)，出現(xiàn) 中間數(shù)據(jù)點(diǎn)未起作用。在本實(shí)驗(yàn)中用逐差法處置數(shù)據(jù)，中間數(shù)據(jù)點(diǎn)未起作用。在本實(shí)驗(yàn)中用逐差法處置數(shù)據(jù)，即把即把10個(gè)數(shù)據(jù)分成兩組，逐次求差算平均值個(gè)數(shù)據(jù)分成兩組，逐次求差算平均值。5/5iiiLLL2/iLFV5/225iiiLLFLFFV 因因 那么那么4、理想氣體中的聲速、理想氣體中的聲速 聲速在常溫空氣中傳播，可以視為是以絕熱過(guò)聲速在常溫空氣中傳播，可以視為是以絕熱過(guò)程在理想氣體中傳播，由熱力學(xué)實(shí)際可知聲速公式程在理想氣體中傳播，由熱力學(xué)實(shí)際可知聲速公式為：為： rRTV 式中，式中，R是摩爾氣

12、體常數(shù)是摩爾氣體常數(shù)R=8.31J mol.k，r是氣體的比熱容比，是氣體的比熱容比，為相對(duì)分子質(zhì)量，為相對(duì)分子質(zhì)量，T為熱力學(xué)為熱力學(xué)溫度。溫度。 溫度假設(shè)以攝氏溫度溫度假設(shè)以攝氏溫度t計(jì)算，那么計(jì)算，那么 )15.237(00KTtTT000011TtVTtrRTrRTV 式中，式中，V0為氣體在為氣體在0 0C的聲速，在空氣介質(zhì)的聲速，在空氣介質(zhì)中中V0=331.45 m/s。因此，溫度為。因此，溫度為t時(shí)空氣中的聲速時(shí)空氣中的聲速0145.331TtVprpTtVs3192. 01145.3310 另，思索到空氣中含有水蒸氣的情況下，要對(duì)空氣中的另，思索到空氣中含有水蒸氣的情況下，要對(duì)

13、空氣中的與與r進(jìn)展修正，在溫度為進(jìn)展修正，在溫度為t，相對(duì)濕度為，相對(duì)濕度為r的空氣中的聲速的空氣中的聲速為：為： 式中，式中，ps為室溫時(shí)的飽和蒸氣壓，可從飽和蒸氣壓為室溫時(shí)的飽和蒸氣壓，可從飽和蒸氣壓與溫度關(guān)系表中查出與溫度關(guān)系表中查出P259。P為規(guī)范大氣壓為規(guī)范大氣壓取取 ， 相對(duì)濕度相對(duì)濕度r%) 可從實(shí)驗(yàn)室的干可從實(shí)驗(yàn)室的干濕溫度表上查出。濕溫度表上查出。app510013. 1 六、實(shí)驗(yàn)步驟六、實(shí)驗(yàn)步驟 1、預(yù)備任務(wù)、預(yù)備任務(wù) 按圖按圖7-21接線，發(fā)射端接線，發(fā)射端S1接信號(hào)發(fā)生器，接納接信號(hào)發(fā)生器，接納端端S2接至示波器通道接至示波器通道1CH1。調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)到達(dá)。調(diào)整測(cè)試系

14、統(tǒng)到達(dá)諧振，得到頻率諧振，得到頻率 F。P257(2)2、共振干涉法測(cè)聲速、共振干涉法測(cè)聲速 搖動(dòng)聲速測(cè)試儀手把，使接納端搖動(dòng)聲速測(cè)試儀手把，使接納端S2緩慢挪動(dòng)，由緩慢挪動(dòng)，由近及遠(yuǎn)逐個(gè)記下示波器上相繼出現(xiàn)近及遠(yuǎn)逐個(gè)記下示波器上相繼出現(xiàn)10個(gè)信號(hào)極大值時(shí)個(gè)信號(hào)極大值時(shí)的的S2的位置的位置L1、L2、L10,填入數(shù)據(jù)表，計(jì)算填入數(shù)據(jù)表，計(jì)算V 。3、相位比較法測(cè)聲速、相位比較法測(cè)聲速 按圖按圖7-22接線，發(fā)射端接線，發(fā)射端S1接信號(hào)發(fā)生器接信號(hào)發(fā)生器CH1 ，接納，接納端端S2接至示波器通道接至示波器通道1CH1。再?gòu)男盘?hào)發(fā)生器。再?gòu)男盘?hào)發(fā)生器CH2接接示波器通道示波器通道2CH2，按下示波

15、器，按下示波器 xy 鍵，示波器將顯鍵，示波器將顯示由示由CH1和和CH2正旋信號(hào)的合成利薩如圖形。正旋信號(hào)的合成利薩如圖形。 搖動(dòng)聲速測(cè)試儀手柄，由近及遠(yuǎn)使搖動(dòng)聲速測(cè)試儀手柄，由近及遠(yuǎn)使S2緩慢挪動(dòng)，逐緩慢挪動(dòng)，逐個(gè)記下示波器上相繼出現(xiàn)利薩如圖形為斜線時(shí)的個(gè)記下示波器上相繼出現(xiàn)利薩如圖形為斜線時(shí)的S2的的位置位置L1、L2、L10，填入數(shù)據(jù)表計(jì)算，填入數(shù)據(jù)表計(jì)算V 。 諧振頻率諧振頻率F= Khz， 室溫室溫t= C, ps= , r = 。序號(hào)i Li/mm Li = Li+5Li /mm共振干涉法共振干涉法相位比較法相位比較法共振干涉法共振干涉法相位比較法相位比較法1 234567891

16、0 平均值平均值 七、數(shù)據(jù)表格七、數(shù)據(jù)表格 數(shù)據(jù)處置要求數(shù)據(jù)處置要求分別對(duì)兩種方法的數(shù)據(jù)進(jìn)展處置，計(jì)算分別對(duì)兩種方法的數(shù)據(jù)進(jìn)展處置，計(jì)算、 V測(cè)、測(cè)、V理、理、Er。 計(jì)算：計(jì)算：1= 2聲速丈量值V測(cè)= 3聲速實(shí)際值聲速實(shí)際值V理理= 4V測(cè)與V理的相對(duì)誤差 Er Er = |V測(cè)-V理| / V理100%= 八、本卷須知八、本卷須知 1作為超聲波源，測(cè)試開(kāi)場(chǎng)要仔細(xì)調(diào)作為超聲波源，測(cè)試開(kāi)場(chǎng)要仔細(xì)調(diào)理信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率使理信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率使S1實(shí)現(xiàn)諧振，實(shí)現(xiàn)諧振，并堅(jiān)持在穩(wěn)定的諧振形狀，以使便于測(cè)試。并堅(jiān)持在穩(wěn)定的諧振形狀，以使便于測(cè)試。如頻率有飄移應(yīng)調(diào)回。如頻率有飄移應(yīng)調(diào)回。 2聲波接納端聲波接納端S2的挪動(dòng)，是經(jīng)過(guò)聲速測(cè)的挪動(dòng)，是經(jīng)過(guò)聲速測(cè)定儀的絲杠、螺母構(gòu)成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，定儀的絲杠、螺母構(gòu)