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1、大学物理实验大学物理实验内容介绍1，背景介绍，背景介绍2，实验目的，实验目的3，实验原理，实验原理4，仪器介绍，仪器介绍5，实验内容，实验内容6，实验步骤实验步骤7，数据处理要求，数据处理要求8，注意事项注意事项五、实验内容五、实验内容1、共振干涉法、共振干涉法 声速测定仪声速测定仪 示波器示波器Y 地 X 信号发生器 压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器 S2 S1实验装置如实验装置如图图1所示所示 图图1 图图1中中S1和和S2为压电陶瓷换能器，为压电陶瓷换能器，S1作为超声波作为超声波源源，S2为超声波接收器。为超声波接收器。 声波传至声波传至S2的接收面上时，将被反射。由物理知的接收面上时，将
2、被反射。由物理知识可知，在接收器识可知，在接收器S2表面，从振动位移来说是波节，表面，从振动位移来说是波节，从声压来说是波腹，当从声压来说是波腹，当S1和和S2之间形成谐振（驻波）之间形成谐振（驻波）腔时，腔时， -（2） 接收器接收器S2接收到的声压是极大值，经接收器转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极大值，由驻波知识可知，两相邻波节的距离为半波长长 2L 图图 2 图图2中各极大值之间的距离均为中各极大值之间的距离均为 1/2 ，由于散射，由于散射和其他
3、损耗，各极大值幅值随距离增大而逐渐减小。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我们只要测出示波器各电压信号极大值对应的接收器收器S2的位置，就可测出波长的位置，就可测出波长 。由信号发生器读出超。由信号发生器读出超声波的频率值后，即可由公式（声波的频率值后，即可由公式（1）求得声速。）求得声速。 2相位比较法相位比较法实验装置如实验装置如图图3所所示示 压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器 S2 S1 声速测定仪声速测定仪 示波器示波器 Y 地地 X 信号发生器信号发生器 图图 3两种实验方法，各可顺序测得两种实验方法，各可顺序测得10个个S2的极大
4、值位置的极大值位置即可进行数据处理，求即可进行数据处理，求V。 沿波的传播方向移动接收器沿波的传播方向移动接收器S2总可以找到一点总可以找到一点使接收到信号与发射器信号的位相相同；继续移动使接收到信号与发射器信号的位相相同；继续移动接收器接收器S2，接收到的信号再次与发射器信号的位相，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。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，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。当两个信号则李萨如图一般情况下是
5、稳定的椭圆。当两个信号的位相差由的位相差由 0变为变为时，李萨如图由斜率为正的直时，李萨如图由斜率为正的直线变为斜率为负的直线，线变为斜率为负的直线， S2的位置改变半波长。的位置改变半波长。 当当 0 L= /2 3逐差法处理数据逐差法处理数据 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的位置相减再取和得到，但这样，但这样则在计算时，出现则在计算时，出现 中间数据点未起作用。在本实验中用逐差法处理数据，中间数据点未起作用。在本实验中用逐差法处理数据，即把即把10个数据分成两组，逐次求差算平均值个数据分成两组，逐次求差算平均值。5/
6、5iiiLLL2/iLFV5/225iiiLLFLFFV 因因 则则4、理想气体中的声速、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程在理想气体中传播，由热力学理论可知声速公式为：为： rRTV 式中，式中，R是摩尔气体常数（是摩尔气体常数（R=8.31J （mol.k），），r是气体的比热容比，是气体的比热容比，为相对分子质量，为相对分子质量，T为热力学为热力学温度。温度。 温度若以摄氏温度温度若以摄氏温度t计算，则计算，则 )15.237(00KTtTT000011TtVTtrRTrRTV
7、式中，式中，V0为气体在为气体在0 0C的声速，在空气介质的声速，在空气介质中中V0=331.45 m/s。因此，温度为。因此，温度为t时空气中的声速时空气中的声速0145.331TtVprpTtVs3192. 01145.3310 另，考虑到空气中含有水蒸气的情况下，要对空气中的另，考虑到空气中含有水蒸气的情况下，要对空气中的与与r进行修正，在温度为进行修正，在温度为t，相对湿度为，相对湿度为r的空气中的声速的空气中的声速为：为： 式中，式中，ps为室温时的饱和蒸气压，可从饱和蒸气压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（与温度关系表中查出（P259）。）。P为标准大气压为标
8、准大气压取取 ， 相对湿度相对湿度r（%) 可从实验室的干可从实验室的干湿温度表上查出。湿温度表上查出。app510013. 1 六、实验步骤六、实验步骤 1、准备工作、准备工作 按图按图7-21接线，发射端接线，发射端S1接信号发生器，接信号发生器，接收端接收端S2接至示波器通道接至示波器通道1（CH1）。调整测）。调整测试系统达到谐振，得到频率试系统达到谐振，得到频率 F。（。（P257(2)）2、共振干涉法测声速、共振干涉法测声速 摇动声速测试仪手把，使接收端摇动声速测试仪手把，使接收端S2缓慢移缓慢移动，由近及远逐个记下示波器上相继出现动，由近及远逐个记下示波器上相继出现10个个信号极
9、大值时的信号极大值时的S2的位置的位置L1、L2、L10,填填入数据表，计算入数据表，计算V 。3、相位比较法测声速、相位比较法测声速 按图按图7-22接线，发射端接线，发射端S1接信号发生器接信号发生器CH1 ，接收，接收端端S2接至示波器通道接至示波器通道1（CH1）。再从信号发生器）。再从信号发生器CH2接接示波器通道示波器通道2（CH2），按下示波器），按下示波器 xy 键，示波器将显键，示波器将显示由示由CH1和和CH2正旋信号的合成利萨如图形。正旋信号的合成利萨如图形。 摇动声速测试仪手柄，由近及远使摇动声速测试仪手柄，由近及远使S2缓慢移缓慢移动，逐个记下示波器上相继出现利萨如图
10、形为斜动，逐个记下示波器上相继出现利萨如图形为斜线时的线时的S2的位置的位置L1、L2、L10，填入数据表，填入数据表计算计算V 。 谐振频率谐振频率F= Khz， 室温室温t= C, ps= , r = 。序号i Li/mm Li = Li+5Li /mm共振干涉法共振干涉法相位比较法相位比较法共振干涉法共振干涉法相位比较法相位比较法1 2345678910 平均值平均值 七、数据表格七、数据表格 数据处理要求数据处理要求分别对两种方法的数据进行处理，计算分别对两种方法的数据进行处理，计算、 V测测、V理理、Er。 计算：计算：1）= 2）声速测量值）声速测量值V测测= 3）声速理论值）声速
11、理论值V理理= 4）V测测与与V理理的相对误差的相对误差 Er Er = |V测测-V理理| / V理理100%= 八、注意事项八、注意事项 1）作为超声波源，测试开始要仔细调节信）作为超声波源，测试开始要仔细调节信号发生器的输出频率使号发生器的输出频率使S1实现谐振，并保持在实现谐振，并保持在稳定的谐振状态，以使便于测试。如频率有飘稳定的谐振状态，以使便于测试。如频率有飘移应调回。移应调回。 2）声波接收端）声波接收端S2的移动，是通过声速测定的移动，是通过声速测定仪的丝杠、螺母构成的传动机构实现的，在仪的丝杠、螺母构成的传动机构实现的，在实验过程中要注意避免空程差，在读数过程实验过程中要注意避免空程差，在读数过程中不要退读。中不要退读。 3）共振干涉法中要读取示波器荧光屏上正）共振干涉法中要读取示波器荧光屏上正旋信号振幅最大时的旋信号振幅最大时的S2的位置，为减少读数误的位置，为减少读数误差，可在读数前反复模拟两次，观察各最大值差，可在读数前反复模拟两次，观察各最大值的情况然后开始。的情况然后开始。 4）示波器的调谐已经学过，如有遗忘请看）示波器的调谐已经学过，如有遗忘请看实验教材。实验教材。 祝大家实验成功祝大家实验成功24 结束语结束语