大学物理实验ppt课件

1、大学物理实验大学物理实验声速测定声速测定 北京工业大学北京工业大学 物理实验物理实验室室内容引见1，背景引见，背景引见2，实验目的，实验目的3，实验原理，实验原理4，仪器引见，仪器引见5，实验内容，实验内容6，实验步骤，实验步骤7，数据处置要求，数据处置要求8，本卷须知，本卷须知一、背景引见引言一、背景引见引言u声学是即古老又年轻的学科，它有着悠久的开声学是即古老又年轻的学科，它有着悠久的开展历史，而近代声学研讨曾经广泛渗入到科学研展历史，而近代声学研讨曾经广泛渗入到科学研讨、国民经济以及国防建立等各个领域，构成了讨、国民经济以及国防建立等各个领域，构成了一些新的交叉学科。一些新的交叉学科。

2、1、u在运用研讨方面，如超声马达的研讨得到国家在运用研讨方面，如超声马达的研讨得到国家多项基金的支持，多项基金的支持，2019年研制出当时世界上最年研制出当时世界上最细的弯曲旋转超声马达。细的弯曲旋转超声马达。 u在根底研讨方面，曾在液晶非线性动力学问题在根底研讨方面，曾在液晶非线性动力学问题u的研讨中，发现指向波。的研讨中，发现指向波。u目前在进展研讨课题有：目前在进展研讨课题有： 超声马达、热声制冷、声致发超声马达、热声制冷、声致发光，时空有限的波在界面上的反射、透射、厅堂声混响、磁光，时空有限的波在界面上的反射、透射、厅堂声混响、磁流体声波等，以及声波在工程检测中的运用等问题等。流体声波

3、等，以及声波在工程检测中的运用等问题等。2、u声波是在弹性媒质中传播的一种机械波，由于其振动方向声波是在弹性媒质中传播的一种机械波，由于其振动方向与传播方向一致，故声波是纵波。振动频率在与传播方向一致，故声波是纵波。振动频率在20 Hz20 kHz之间的声波可以被人们听到，称为可闻声波；频率超越之间的声波可以被人们听到，称为可闻声波；频率超越20KHz的声波称为超声波。的声波称为超声波。u对于声波特性的丈量如频率、波速、波长、声对于声波特性的丈量如频率、波速、波长、声压衰减和相压衰减和相 位等是声学运用技术中的一个重要位等是声学运用技术中的一个重要内容，特别是声波波速简称声速的丈量，在声内容，

4、特别是声波波速简称声速的丈量，在声波定位、探伤、测距等运用中具有重要的意义。波定位、探伤、测距等运用中具有重要的意义。声波的传播速度取决于介质的特性，如介质的密度、温度、压声波的传播速度取决于介质的特性，如介质的密度、温度、压力和弹性模量等，同时声波的能量声强随着动摇的进展在力和弹性模量等，同时声波的能量声强随着动摇的进展在介质中传播。介质中传播。 3、例例 几种介质中的声速介质介质温度（温度（C）声速声速(m/s)(m/s)空气（空气（1atm）0331空气（空气（1atm）20343水水201460花岗岩花岗岩03950铝铝205100二、实验目的二、实验目的1、学习丈量流体中声速的两种方

5、法：共振干涉法和相、学习丈量流体中声速的两种方法：共振干涉法和相 位比较法；位比较法；2、加深对驻波和振动合成实际的了解；、加深对驻波和振动合成实际的了解；3、了解压电陶瓷换能器的构造和功能；、了解压电陶瓷换能器的构造和功能；4、进一步熟习示波器的运用。、进一步熟习示波器的运用。三、实验原理三、实验原理声速的丈量方法可以分为两类声速的丈量方法可以分为两类 :一类是根据运动学实际：一类是根据运动学实际：V=L/T， 经过丈量传播的间隔经过丈量传播的间隔L与所用的时间相比而获得与所用的时间相比而获得V，另一类是根据动摇学实际另一类是根据动摇学实际V=F, 经过丈量声波的频率经过丈量声波的频率F与波

6、长与波长而获得而获得V。 本实验采用动摇学实际本实验采用动摇学实际 方法进展。由于方法进展。由于超声波具有波长短，易于定向发射、相互关涉小等优点，超声波具有波长短，易于定向发射、相互关涉小等优点，我们采用压电陶瓷换能器为波源进展声波发射与接纳。在我们采用压电陶瓷换能器为波源进展声波发射与接纳。在测出声波的频率测出声波的频率F与波长与波长后利用公式得到后利用公式得到V 。FV FV -1 式中，声波的频率式中，声波的频率F由信号发生器直接读出，由信号发生器直接读出，波长波长由共振干涉法或相位比较法分别测得。由共振干涉法或相位比较法分别测得。四、仪器引见四、仪器引见信号发生器信号发生器 ， 示波器

7、，示波器， 声速测定仪声速测定仪五、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 示波器Y 地 X 信号发生器 压电陶瓷换能压电陶瓷换能器器 S2 S1实验安装如图实验安装如图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为超声波接纳器。为超声波接纳器。 声波传至声波传至S2的接纳面上时，将被反射。由物理知的接纳面上时，将被反射。由物理知识可知，在接纳器识可知，在接纳器S2外表，从振动位移来说是波节，外表，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之间构成谐振驻波之间构成谐振驻波腔

8、时，腔时， -2 接纳器接纳器S2接纳到的声压是极大值，经接纳器转接纳到的声压是极大值，经接纳器转换成电信号，从示波器上察看到的电压信号幅值也是换成电信号，从示波器上察看到的电压信号幅值也是极大值，由驻波知识可知，两相邻波节的间隔为半波极大值，由驻波知识可知，两相邻波节的间隔为半波长长 2L 图图 2 图图2中各极大值之间的间隔均为中各极大值之间的间隔均为 1/2 ，由于散射，由于散射和其他损耗，各极大值幅值随间隔增大而逐渐减小。和其他损耗，各极大值幅值随间隔增大而逐渐减小。 我们只需测出示波器各电压信号极大值对应的接我们只需测出示波器各电压信号极大值对应的接纳器纳器S2的位置，就可测出波长的

9、位置，就可测出波长。由信号发生器读出。由信号发生器读出超声波的频率值后，即可由公式超声波的频率值后，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安装如图实验安装如图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 示波器 Y 地 X 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的极大值位置的极大值位置即可进展数据处置，求即可进展数据处置，求V。 沿波的传播方向挪动接纳器沿波的传播方向挪动接纳器S2总可以找到一点总可以找到一点使接纳到信号与发射器信号的位相一样；继续挪动使接纳到信号与发射器信号的位相一样；继续挪动接纳器接纳器

10、S2，接纳到的信号再次与发射器信号的位相，接纳到的信号再次与发射器信号的位相一样时，移过的间隔等于声波的波长。可以利用李一样时，移过的间隔等于声波的波长。可以利用李萨如图形来判别相位差。萨如图形来判别相位差。 当输入示波器的是两个频率严厉一致的信号，当输入示波器的是两个频率严厉一致的信号，那么李萨如图普通情况下是稳定的椭圆。当两个信号那么李萨如图普通情况下是稳定的椭圆。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的位置改动半波长。的位置改动半波长。 当当 0 L= /2 3逐差法处置数据逐差法处

11、置数据 对上述数据的处置，假设采用两相邻极大值所对应的位置相减再取和得到，但这样那么在计算时，出现 中间数据点未起作用。在本实验中用逐差法处置数据，中间数据点未起作用。在本实验中用逐差法处置数据，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。5/5iiiLLL2/iLFV5/225iiiLLFLFFV 因因 那么那么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，由热力学实际可知声速公式程在理想气体中传播，由热力学实际可知声速公式为：为： rRTV 式中，式中，R是摩尔气

12、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。 温度假设以摄氏温度温度假设以摄氏温度t计算，那么计算，那么 )15.237(00KTtTT000011TtVTtrRTrRTV 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，思索到空气中含有水蒸气的情况下，要对空气中的另，思索到空气中含有水蒸气的情况下，要对

13、空气中的与与r进展修正，在温度为进展修正，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为规范大气压为规范大气压取取 ， 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、预备任务、预备任务 按图按图7-21接线，发射端接线，发射端S1接信号发生器，接纳接信号发生器，接纳端端S2接至示波器通道接至示波器通道1CH1。调整测试系统到达。调整测试系

14、统到达谐振，得到频率谐振，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，使接纳端摇动声速测试仪手把，使接纳端S2缓慢挪动，由缓慢挪动，由近及远逐个记下示波器上相继出现近及远逐个记下示波器上相继出现10个信号极大值时个信号极大值时的的S2的位置的位置L1、L2、L10,填入数据表，计算填入数据表，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 ，接纳，接纳端端S2接至示波器通道接至示波器通道1CH1。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2CH2，按下示波

15、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缓慢挪动，逐缓慢挪动，逐个记下示波器上相继出现利萨如图形为斜线时的个记下示波器上相继出现利萨如图形为斜线时的S2的的位置位置L1、L2、L10，填入数据表计算，填入数据表计算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 234567891

16、0 平均值平均值 七、数据表格七、数据表格 数据处置要求数据处置要求分别对两种方法的数据进展处置，计算分别对两种方法的数据进展处置，计算、 V测、测、V理、理、Er。 计算：计算：1= 2声速丈量值V测= 3声速实际值声速实际值V理理= 4V测与V理的相对误差 Er Er = |V测-V理| / V理100%= 八、本卷须知八、本卷须知 1作为超声波源，测试开场要仔细调作为超声波源，测试开场要仔细调理信号发生器的输出频率使理信号发生器的输出频率使S1实现谐振，实现谐振，并坚持在稳定的谐振形状，以使便于测试。并坚持在稳定的谐振形状，以使便于测试。如频率有飘移应调回。如频率有飘移应调回。 2声波接纳端声波接纳端S2的挪动，是经过声速测的挪动，是经过声速测定仪的丝杠、螺母构成的传动机构实现的，定仪的丝杠、螺母构