大学物理实验教案.pptx

青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室1 1 第二章 振动与波动2.1声速测量声速测量2.2空气中声速的测定空气中声速的测定第1页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室2 2 2.1 声速测量声速测量 一、一、演示目的演示目的演示目的演示目的 介绍一种测量声速的新方法。介绍一种测量声速的新方法。二、二、演示原理演示原理演示原理演示原理 本测量仪器的装置如实物所示，一个本测量仪器的装置如实物所示，一个1.21.2mm的有机的有机 玻璃管用作波导管，其上方和下方分别安装有进水口玻璃管用作波导管，其上方和下方分别安装有进水口和出水口，上方固定一扬声器，扬声器由一频率可调和出水口，上方固定一扬声器，扬声器由一频率可调 的低频信号发生器驱动，对于某一个特定的驱动频率，的低频信号发生器驱动，对于某一个特定的驱动频率，通过控制进水的流量及时间，可缓慢调节波导管内的通过控制进水的流量及时间，可缓慢调节波导管内的液面高度。由于水的声阻抗大于空气的阻抗，声波在液面高度。由于水的声阻抗大于空气的阻抗，声波在水面反射时产生半波损失。所以，水面形成的反射面水面反射时产生半波损失。所以，水面形成的反射面只能只能 形成波节。当空气柱长度满足形成波节。当空气柱长度满足 n=1,2,3,n=1,2,3,时，根据驻波原理，上端管口出现波腹，时，根据驻波原理，上端管口出现波腹，第2页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室3 3 人耳只听到最强的共鸣声。低频信号发生器如继续降人耳只听到最强的共鸣声。低频信号发生器如继续降低波导管中的水位，即增加空气柱的长度，可以产生低波导管中的水位，即增加空气柱的长度，可以产生第第2 2、3 3次共鸣次共鸣,空气柱的长度为空气柱的长度为 L L2 2、L L3 3,分别为分别为 ，由于相邻两次共鸣现象之间的空气柱长度，由于相邻两次共鸣现象之间的空气柱长度只差为半个波长只差为半个波长 ，利用实际测量的，利用实际测量的L L1 1、L L3 3、L L(n+1)(n+1)可以求得可以求得 。声速的频率已知，测得声波在空气中传。声速的频率已知，测得声波在空气中传播的波长，根据公式播的波长，根据公式 即可求出声速。即可求出声速。三、三、演示方法演示方法演示方法演示方法 先将波导管中注满自来水，然后将水从波导管中先将波导管中注满自来水，然后将水从波导管中慢慢流出，同时调节低频信号发生器的频率，在水位慢慢流出，同时调节低频信号发生器的频率，在水位下降的过程记录发生共鸣时的水位，两次共鸣水位之下降的过程记录发生共鸣时的水位，两次共鸣水位之间的距离，恰好等于半个波长，从而推导出声波的波间的距离，恰好等于半个波长，从而推导出声波的波 长。长。第3页/共23页 青岛科技大学物理实验室2.2 空气中声速的测定空气中声速的测定第4页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室5 5实验目的实验目的 学习利用波的叠加原理测量声速的方法学习利用波的叠加原理测量声速的方法学习利用波的叠加原理测量声速的方法学习利用波的叠加原理测量声速的方法了解示波器的结构，学习其使用方法了解示波器的结构，学习其使用方法了解示波器的结构，学习其使用方法了解示波器的结构，学习其使用方法了解发射和接收超声波的原理和方法了解发射和接收超声波的原理和方法了解发射和接收超声波的原理和方法了解发射和接收超声波的原理和方法第5页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室6 6实验要求示波器面板各旋钮的作用及使用方法。示波器面板各旋钮的作用及使用方法。示波器面板各旋钮的作用及使用方法。示波器面板各旋钮的作用及使用方法。压电陶瓷超声换能器的作用：逆压电效应正压电效应。压电陶瓷超声换能器的作用：逆压电效应正压电效应。压电陶瓷超声换能器的作用：逆压电效应正压电效应。压电陶瓷超声换能器的作用：逆压电效应正压电效应。测波长的三种方法：驻波法、相位法、双踪法。测波长的三种方法：驻波法、相位法、双踪法。测波长的三种方法：驻波法、相位法、双踪法。测波长的三种方法：驻波法、相位法、双踪法。游标卡尺的读数方法和使用方法，误差限游标卡尺的读数方法和使用方法，误差限游标卡尺的读数方法和使用方法，误差限游标卡尺的读数方法和使用方法，误差限 =0.02mm=0.02mm=0.02mm=0.02mm。测量要求同讲义。（双踪法选作）测量要求同讲义。（双踪法选作）测量要求同讲义。（双踪法选作）测量要求同讲义。（双踪法选作）数据处理同讲义。数据处理同讲义。数据处理同讲义。数据处理同讲义。不作完整的实验报告，只作数据处理于预习报告册上。不作完整的实验报告，只作数据处理于预习报告册上。不作完整的实验报告，只作数据处理于预习报告册上。不作完整的实验报告，只作数据处理于预习报告册上。第6页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室7 71 1 1 1、基本原理、基本原理、基本原理、基本原理声速声速声速声速 若固定频率为若固定频率为若固定频率为若固定频率为 f=ff=f0 0（共振频率），通过波长（共振频率），通过波长（共振频率），通过波长（共振频率），通过波长 测量，即可测量，即可测量，即可测量，即可求的声速求的声速求的声速求的声速 v v。本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声波和交流电压间本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声波和交流电压间本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声波和交流电压间本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声波和交流电压间的转换。当的转换。当的转换。当的转换。当 电信号的频率与换能器的固有振动频率相等电信号的频率与换能器的固有振动频率相等电信号的频率与换能器的固有振动频率相等电信号的频率与换能器的固有振动频率相等时，其输出能量最大。时，其输出能量最大。时，其输出能量最大。时，其输出能量最大。实验原理 第7页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室8 82 2 2 2、驻波法、驻波法、驻波法、驻波法低频信号发生器低频信号发生器游标尺游标尺示波器示波器S S1 1发出的超声波和由发出的超声波和由S S2 2反射的超声波在反射的超声波在S S1 1，S S2 2之间的区域干涉之间的区域干涉而形成驻波而形成驻波相邻两极大值之间的距离为半波长相邻两极大值之间的距离为半波长相邻两极大值之间的距离为半波长相邻两极大值之间的距离为半波长/2/2/2/2整数倍时整数倍时整数倍时整数倍时，接收面接收面S S2 2上的声压达到极大值上的声压达到极大值。第8页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室9 93 3 3 3、相位法、相位法、相位法、相位法 S1发出的正弦波与发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的相位差为收到的正弦波之间的相位差为 =t=2f/v=2 l/=t=2f/v=2 l/S1与与S2之间变化一个波长之间变化一个波长，相位差变化，示波器上所相位差变化，示波器上所观察到的李萨如图随之变化一个周期。观察到的李萨如图随之变化一个周期。低频信号发生器低频信号发生器游尺游尺示波器示波器第9页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室1010李萨如图随相位的变化李萨如图随相位的变化李萨如图随相位的变化李萨如图随相位的变化图图 形形相位差相位差第10页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室1111实验仪器实验仪器SBZSBZ-A A超声声速测定仪超声声速测定仪超声声速测定仪超声声速测定仪 SBZSBZ-A A专用信号源专用信号源专用信号源专用信号源 SSSS-5702-5702A A双踪示波器双踪示波器双踪示波器双踪示波器 第11页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室1212实验步骤实验步骤驻波法驻波法驻波法驻波法 1 1）发射换能器和接收换能器的两个端面平行）发射换能器和接收换能器的两个端面平行）发射换能器和接收换能器的两个端面平行）发射换能器和接收换能器的两个端面平行；2 2）调整信号源和示波器正常的工作状态；）调整信号源和示波器正常的工作状态；）调整信号源和示波器正常的工作状态；）调整信号源和示波器正常的工作状态；3 3）按照正确线路连接仪器；）按照正确线路连接仪器；）按照正确线路连接仪器；）按照正确线路连接仪器；4 4）调整信号源工作频率，保证换能器处于谐振状态；）调整信号源工作频率，保证换能器处于谐振状态；）调整信号源工作频率，保证换能器处于谐振状态；）调整信号源工作频率，保证换能器处于谐振状态；5 5）移动）移动）移动）移动S S2 2，观察示波器显示的正弦波振幅变化，用，观察示波器显示的正弦波振幅变化，用，观察示波器显示的正弦波振幅变化，用，观察示波器显示的正弦波振幅变化，用游标尺读出振幅极大值游标尺读出振幅极大值游标尺读出振幅极大值游标尺读出振幅极大值S S2 2所在位置。不断移动所在位置。不断移动所在位置。不断移动所在位置。不断移动S S2 2，连，连，连，连续读出续读出续读出续读出1010个相邻的波节位置；个相邻的波节位置；个相邻的波节位置；个相邻的波节位置；6 6）记录室温及信号源频率）记录室温及信号源频率）记录室温及信号源频率）记录室温及信号源频率 。第12页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室1313实验步骤实验步骤相位法相位法相位法相位法 1 1）按图接线，将发射换能器的输入信号接到示波器）按图接线，将发射换能器的输入信号接到示波器）按图接线，将发射换能器的输入信号接到示波器）按图接线，将发射换能器的输入信号接到示波器的通道的通道的通道的通道2 2；2 2）示波器的）示波器的）示波器的）示波器的“触发源触发源触发源触发源”拨至拨至拨至拨至CH2CH2；将；将；将；将“时基因数时基因数时基因数时基因数”拨至拨至拨至拨至X-YX-Y；3 3）接收换能器移动到示波器屏上出现直线的位置）接收换能器移动到示波器屏上出现直线的位置）接收换能器移动到示波器屏上出现直线的位置）接收换能器移动到示波器屏上出现直线的位置 ，以便于观测；以便于观测；以便于观测；以便于观测；4 4）连续）连续）连续）连续S S2 2 ，读取，读取，读取，读取1010组数据；组数据；组数据；组数据；5 5）记录信号源频率及室温）记录信号源频率及室温）记录信号源频率及室温）记录信号源频率及室温。第13页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室1414实验步骤实验步骤双踪法双踪法双踪法双踪法 1 1）发射端信号接）发射端信号接）发射端信号接）发射端信号接“CH1CH1”，接收端信号接，接收端信号接，接收端信号接，接收端信号接“CH2CH2，垂，垂，垂，垂直方式（直方式（直方式（直方式（Y MOODY MOOD）中的开关拨至）中的开关拨至）中的开关拨至）中的开关拨至DUALDUAL示波器处于示波器处于示波器处于示波器处于两个通道信号的双踪显示状态两个通道信号的双踪显示状态两个通道信号的双踪显示状态两个通道信号的双踪显示状态；2 2）旋转）旋转）旋转）旋转“时基因数时基因数时基因数时基因数”旋钮可同时看到两个波形，推动旋钮可同时看到两个波形，推动旋钮可同时看到两个波形，推动旋钮可同时看到两个波形，推动S S2 2 ，两个波形在水平方向发生相对移动，当两个波形，两个波形在水平方向发生相对移动，当两个波形，两个波形在水平方向发生相对移动，当两个波形，两个波形在水平方向发生相对移动，当两个波形的峰和峰对齐时，说明位相差是的峰和峰对齐时，说明位相差是的峰和峰对齐时，说明位相差是的峰和峰对齐时，说明位相差是2 2 的整数倍；的整数倍；的整数倍；的整数倍；3 3）连续推动）连续推动）连续推动）连续推动S S2 2 ，记录峰与峰对齐时的，记录峰与峰对齐时的，记录峰与峰对齐时的，记录峰与峰对齐时的1010组数据，并组数据，并组数据，并组数据，并记录频率记录频率记录频率记录频率 。第14页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室1515 =1.000cm f=1.000cm f0 0=34000KHz V=331m/s=34000KHz V=331m/s参考数据参考数据1、驻波法实验数据、驻波法实验数据 频率频率f=34.905（KHz）室温室温t=22 （）0.0090.0090.0070.0070.0030.0030.0050.0050.0090.0095.1055.1055.0965.0965.0985.0985.1085.1085.1105.1105.1145.114L=XL=Xi+5i+5-X-Xi i17.17.22222216.16.21221215.15.20020014.114.1727213.13.14814812.12.12612611.11.11411410.10.0920929.09.062628.08.03434X Xi i(cm)(cm)10109 98 87 76 65 54 43 32 21 1序号序号第15页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室1616 对测量量对测量量L，B类不确定度类不确定度 不确定度不确定度 A类不确定度类不确定度第16页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室1717这样这样 则则 速度速度V的完整表示为的完整表示为V=(351.80.4)m/sEv=0.09第17页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室1818当温度为当温度为t时，空气中声速时，空气中声速 则实验测量值与理论计算值的相对百分误差为则实验测量值与理论计算值的相对百分误差为 第18页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室19192相位法实验数据（相位法实验数据（每隔每隔2 测一次测一次）频率频率 f=34.626 （KHz）室温室温t=22（）0.0090.0090.0070.0070.0030.0030.0050.0050.0090.0095.1055.1055.0965.0965.0985.0985.1085.1085.1105.1105.1145.114L=XL=Xi+5i+5-X-Xi i17.17.22222216.16.21221215.15.20020014.14.17217213.13.14814812.12.12612611.11.11411410.10.0920929.09.062628.08.03434X Xi i(cm)(cm)10109 98 87 76 65 54 43 32 21 1序号序号第19页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室2020对测量量对测量量L，其平均值的，其平均值的A类不确定度类不确定度 B类不确定度类不确定度 则总不确定度则总不确定度 第20页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室2121这样这样 速度速度V的完整表示为的完整表示为V=(352.40.6)m/sE=0.16第21页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室2222当温度为当温度为t时，空气中声速时，空气中声速 则实验测量值与理论计算值的相对百分误差为则实验测量值与理论计算值的相对百分误差为 第22页/共23页 青岛科技大学物理实验室2024/9/14 2024/9/14 周六周六青岛科技大学物理实验室青岛科技大学物理实验室23233双踪显示法实验数据（选作）双踪显示法实验数据（选作）频率频率 f=34.626（KHz）室温室温t=22 ）序号序号1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010X Xi i(cm)(cm)11.6611.662 212.66812.66813.6713.672 214.67614.67615.6515.658 816.66016.66017.55817.55818.6418.648 819.6519.656 620.64020.640第23页/共23页