物理实验 声速的测量与示波器的使用.ppt

声速的测量与示波器的使用 理学院声速的测量与示波器的使用 理学院一、实验目的1.了解声波在空气中的传播速度与气体状态参数之间 的关系；2.了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成理论的理解；3.掌握示波器的使用方法；4.学会一种测量空气中声速的方法声速的测量与示波器的使用 理学院二、实验原理 1.声波在空气中的传播速度 空气中传播的声波的传播速度(声速)可写为： (18-3)其中，T0=273.15 K，t为环境温度 式(18-3)可作为空气中声速的理论计算公式 2.空气中声速的测量原理 (1)测声速的基本原理 由声速与频率、波长间的关系：v=fλ (18-4) 可知，测出声波的频率f与波长λ，即可由式(18-4)算 出声速v声速的测量与示波器的使用 理学院(2)用共振干涉(驻波)法测量声波的波长用共振干涉法测量声波的波长的实验 装置如图所示用共振干涉（驻波）法测量声波的波长的实验装置声速的测量与示波器的使用 理学院依波动理论，设沿X方向射出的入射波方程为：反射波方程为：在任意时刻t，空气中某一位置处的合振动方程为： 上式即为驻波方程。

声速的测量与示波器的使用 理学院(3)相位比较(行波)法测声波波长用相位比较法测量声波的波长的实验装置如下图所示：相位比较(行波)法测量声波的波长的实验装置 声速的测量与示波器的使用 理学院当发射器与接收器之间距离为L时，在发射器 驱动正弦信号与接收器接收到的正弦信号之间将有相 位差φ=2πL/λ=2πn+Δ若将发射器驱动正弦信号与接收器接收到的正 弦信号分别接到示波器的X及Y输入端，则相互垂直 的同频率正弦波干涉，其合成轨迹称为李萨如图，如 图所示相位差不同时的李萨如图声速的测量与示波器的使用 理学院三、实验仪器 ZKY-SSA型超声声速测定仪； XD-7S低频信号发生器； COS5020B型通用示波器 四、实验内容和步骤 1.熟悉仪器 按图18-1接好线路，对照仪器仔细阅读“实 验仪器”部分的内容声速的测量与示波器的使用 理学院由波腹(或波节)条件可知，相邻两个 波腹(或波节)间的距离为 λ/2 ，当S1和 S2间的距离L恰好等于半波长的整数倍， 即L=n·λ/2 ， n=0，1，2，3… 时，声振 幅为极大值此时接收换能器S2接收到的 声压也是极大值，在示波器上观察到的经 S2转换成的电信号也是极大值。

声速的测量与示波器的使用 理学院2.仪器的调整 (1)将接收换能器S2向发射换能器靠拢并 注意留有约1 cm左右的间隙 (2)调节设置低频信号发生器,先调节“频率 粗调钮11”再调节“频率细调钮10”，使“频 率数码显示12”所显示的频率读数处于换能 器的谐振频率范围30～40 kHz之间 (3)将接收换能器S2的输出端信号线接入示 波器的“CH2通道(垂直)信号输入端10” 声速的测量与示波器的使用 理学院3.谐振状态的确定 用示波器观察由S2接收并转换成的电信号 调节信号发生器的“频率粗调钮11”及“频 率细调钮10”，使示波器显示的波形振幅最 大此时信号发生器的工作频率即为换能器 的固有频率声速的测量与示波器的使用 理学院4.S2的起始最大值位置的确定缓慢移动S2，可在示波器上观察到波 形振幅的变化将S2移到某一振幅最大处 ，固定S2，记录下S2对应的卡尺读数作为 第一个极大值位置数据S1，作为测量S2与 S1之间距离L的起始位置 5.用干涉法测声速为提高实验精度，充分利用数据资源 ，本实验采用逐差法处理数据为此，需 要测量两组数据，使两组数据中互相对应 的项间相差20个半波长。

声速的测量与示波器的使用 理学院6.记录室内温度 记录下实验时实验室内的温度t，用于计算 声速的理论预期值，供与实验结果比较之用 7. 相位比较(行波)法测声波波长（用另一 种方法验证测量结果）把接收换能器S2接入示波器的1通道， 用三通BNC接头从信号源引出另一路信号 接入示波器的2通道，使示波器处于“（X-Y ）”工作状态 .声速的测量与示波器的使用 理学院此时相互垂直的同频率正弦波干涉，其合 成轨迹称为李萨如图，如图18-3所示 五、注意事项 1.实验过程中要保持信号发生器的工作频 率始终工作于换能器的固有频率上，并保 持输出电压基本不变 2.实验中应注意保持换能器发射面与接收 面的平行声速的测量与示波器的使用 理学院六、实验数据的记录与处理 1.频率的测量： f= ±0.05 kHz; Δf=0.05 kHz 2.波长的测量： 室温t= ℃; 10个波长的仪器误差 Δ仪=0.02 mm声速的测量与示波器的使用 理学院(1)10λ的A类不确定度：(2)10λ的B类不确定度：(3)10λ的总不确定度： mmmm￿mm(4)λ±Δλ=(Sj-i±Δ10λ)/10= ± mm3.计算出波速值：(1) = m/s声速的测量与示波器的使用 理学院(2) (3) = m/s± m/s%(4) 4.与理论预期值比较：(1) = m/s(2)Δ′v=｜v理-v｜= m/s (3)E′r=Δ′v/v￿ 理×100%=声速的测量与示波器的使用 理学院七、讨论题 1.本实验为什么要在换能器谐振状态下测定 空气中的声速?2.为什么实验中要保持换能器发射面与接 受面的平行?。