大學物理實驗ppt課件

1、大學物理實驗大學物理實驗聲速測定聲速測定 北京工業(yè)大學北京工業(yè)大學 物理實驗物理實驗室室內(nèi)容引見1，背景引見，背景引見2，實驗?zāi)康模瑢嶒災(zāi)康?，實驗原理，實驗原理4，儀器引見，儀器引見5，實驗內(nèi)容，實驗內(nèi)容6，實驗步驟，實驗步驟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、背景引見引言一、背景引見引言u聲學是即古老又年輕的學科，它有著悠久的開聲學是即古老又年輕的學科，它有著悠久的開展歷史，而近代聲學研討曾經(jīng)廣泛滲入到科學研展歷史，而近代聲學研討曾經(jīng)廣泛滲入到科學研討、國民經(jīng)濟以及國防建立等各個領(lǐng)域，構(gòu)成了討、國民經(jīng)濟以及國防建立等各個領(lǐng)域，構(gòu)成了一些新的交叉學科。一些新的交叉學科。

2、1、u在運用研討方面，如超聲馬達的研討得到國家在運用研討方面，如超聲馬達的研討得到國家多項基金的支持，多項基金的支持，2019年研制出當時世界上最年研制出當時世界上最細的彎曲旋轉(zhuǎn)超聲馬達。細的彎曲旋轉(zhuǎn)超聲馬達。 u在根底研討方面，曾在液晶非線性動力學問題在根底研討方面，曾在液晶非線性動力學問題u的研討中，發(fā)現(xiàn)指向波。的研討中，發(fā)現(xiàn)指向波。u目前在進展研討課題有：目前在進展研討課題有： 超聲馬達、熱聲制冷、聲致發(fā)超聲馬達、熱聲制冷、聲致發(fā)光，時空有限的波在界面上的反射、透射、廳堂聲混響、磁光，時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中的運用等問題等。流體聲波

3、等，以及聲波在工程檢測中的運用等問題等。2、u聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的一種機械波，由于其振動方向聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的一種機械波，由于其振動方向與傳播方向一致，故聲波是縱波。振動頻率在與傳播方向一致，故聲波是縱波。振動頻率在20 Hz20 kHz之間的聲波可以被人們聽到，稱為可聞聲波；頻率超越之間的聲波可以被人們聽到，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對于聲波特性的丈量如頻率、波速、波長、聲對于聲波特性的丈量如頻率、波速、波長、聲壓衰減和相壓衰減和相 位等是聲學運用技術(shù)中的一個重要位等是聲學運用技術(shù)中的一個重要內(nèi)容，特別是聲波波速簡稱聲速的丈量，在聲內(nèi)容，

4、特別是聲波波速簡稱聲速的丈量，在聲波定位、探傷、測距等運用中具有重要的意義。波定位、探傷、測距等運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，同時聲波的能量聲強隨著動搖的進展在力和彈性模量等，同時聲波的能量聲強隨著動搖的進展在介質(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、實驗?zāi)康亩?、實驗?zāi)康?、學習丈量流體中聲速的兩種方

5、法：共振干涉法和相、學習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、加深對駐波和振動合成實際的了解；、加深對駐波和振動合成實際的了解；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、進一步熟習示波器的運用。、進一步熟習示波器的運用。三、實驗原理三、實驗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)運動學實際：一類是根據(jù)運動學實際：V=L/T， 經(jīng)過丈量傳播的間隔經(jīng)過丈量傳播的間隔L與所用的時間相比而獲得與所用的時間相比而獲得V，另一類是根據(jù)動搖學實際另一類是根據(jù)動搖學實際V=F, 經(jīng)過丈量聲波的頻率經(jīng)過丈量聲波的頻率F與波

6、長與波長而獲得而獲得V。 本實驗采用動搖學實際本實驗采用動搖學實際 方法進展。由于方法進展。由于超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射、相互關(guān)涉小等優(yōu)點，超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射、相互關(guān)涉小等優(yōu)點，我們采用壓電陶瓷換能器為波源進展聲波發(fā)射與接納。在我們采用壓電陶瓷換能器為波源進展聲波發(fā)射與接納。在測出聲波的頻率測出聲波的頻率F與波長與波長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由信號發(fā)生器直接讀出，由信號發(fā)生器直接讀出，波長波長由共振干涉法或相位比較法分別測得。由共振干涉法或相位比較法分別測得。四、儀器引見四、儀器引見信號發(fā)生器信號發(fā)生器 ， 示波器

7、，示波器， 聲速測定儀聲速測定儀五、實驗內(nèi)容五、實驗內(nèi)容1、共振干涉法、共振干涉法 聲速測定儀 示波器Y 地 X 信號發(fā)生器 壓電陶瓷換能壓電陶瓷換能器器 S2 S1實驗安裝如圖實驗安裝如圖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，將被反射。由物理知的接納面上時，將被反射。由物理知識可知，在接納器識可知，在接納器S2外表，從振動位移來說是波節(jié)，外表，從振動位移來說是波節(jié)，從聲壓來說是波腹，當從聲壓來說是波腹，當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，腔時， -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，從示波器上察看到的電壓信號幅值也是換成電信號，從示波器上察看到的電壓信號幅值也是極大值，由駐波知識可知，兩相鄰波節(jié)的間隔為半波極大值，由駐波知識可知，兩相鄰波節(jié)的間隔為半波長長 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。 我們只需測出示波器各電壓信號極大值對應(yīng)的接我們只需測出示波器各電壓信號極大值對應(yīng)的接納器納器S2的位置，就可測出波長的

9、位置，就可測出波長。由信號發(fā)生器讀出。由信號發(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驗安裝如圖實驗安裝如圖3所所示示 壓電陶瓷換能器壓電陶瓷換能器 S2 S1 聲速測定儀 示波器 Y 地 X 信號發(fā)生器 圖圖 3兩種實驗方法，各可順序測得兩種實驗方法，各可順序測得10個個S2的極大值位置的極大值位置即可進展數(shù)據(jù)處置，求即可進展數(shù)據(jù)處置，求V。 沿波的傳播方向挪動接納器沿波的傳播方向挪動接納器S2總可以找到一點總可以找到一點使接納到信號與發(fā)射器信號的位相一樣；繼續(xù)挪動使接納到信號與發(fā)射器信號的位相一樣；繼續(xù)挪動接納器接納器

10、S2，接納到的信號再次與發(fā)射器信號的位相，接納到的信號再次與發(fā)射器信號的位相一樣時，移過的間隔等于聲波的波長?？梢岳美钜粯訒r，移過的間隔等于聲波的波長?？梢岳美钏_如圖形來判別相位差。薩如圖形來判別相位差。 當輸入示波器的是兩個頻率嚴厲一致的信號，當輸入示波器的是兩個頻率嚴厲一致的信號，那么李薩如圖普通情況下是穩(wěn)定的橢圓。當兩個信號那么李薩如圖普通情況下是穩(wěn)定的橢圓。當兩個信號的位相差由的位相差由 0變?yōu)樽優(yōu)闀r，李薩如圖由斜率為正的直時，李薩如圖由斜率為正的直線變?yōu)樾甭蕿樨摰闹本€，線變?yōu)樾甭蕿樨摰闹本€， S2的位置改動半波長。的位置改動半波長。 當當 0 L= /2 3逐差法處置數(shù)據(jù)逐差法處

11、置數(shù)據(jù) 對上述數(shù)據(jù)的處置，假設(shè)采用兩相鄰極大值所對應(yīng)的位置相減再取和得到，但這樣那么在計算時，出現(xiàn) 中間數(shù)據(jù)點未起作用。在本實驗中用逐差法處置數(shù)據(jù)，中間數(shù)據(jù)點未起作用。在本實驗中用逐差法處置數(shù)據(jù)，即把即把10個數(shù)據(jù)分成兩組，逐次求差算平均值個數(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聲速在常溫空氣中傳播，可以視為是以絕熱過程在理想氣體中傳播，由熱力學實際可知聲速公式程在理想氣體中傳播，由熱力學實際可知聲速公式為：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，為相對分子質(zhì)量，為相對分子質(zhì)量，T為熱力學為熱力學溫度。溫度。 溫度假設(shè)以攝氏溫度溫度假設(shè)以攝氏溫度t計算，那么計算，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時空氣中的聲速時空氣中的聲速0145.331TtVprpTtVs3192. 01145.3310 另，思索到空氣中含有水蒸氣的情況下，要對空氣中的另，思索到空氣中含有水蒸氣的情況下，要對

13、空氣中的與與r進展修正，在溫度為進展修正，在溫度為t，相對濕度為，相對濕度為r的空氣中的聲速的空氣中的聲速為：為： 式中，式中，ps為室溫時的飽和蒸氣壓，可從飽和蒸氣壓為室溫時的飽和蒸氣壓，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 ， 相對濕度相對濕度r%) 可從實驗室的干可從實驗室的干濕溫度表上查出。濕溫度表上查出。app510013. 1 六、實驗步驟六、實驗步驟 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接信號發(fā)生器，接納接信號發(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)整測試系統(tǒng)到達。調(diào)整測試系

14、統(tǒng)到達諧振，得到頻率諧振，得到頻率 F。P257(2)2、共振干涉法測聲速、共振干涉法測聲速 搖動聲速測試儀手把，使接納端搖動聲速測試儀手把，使接納端S2緩慢挪動，由緩慢挪動，由近及遠逐個記下示波器上相繼出現(xiàn)近及遠逐個記下示波器上相繼出現(xiàn)10個信號極大值時個信號極大值時的的S2的位置的位置L1、L2、L10,填入數(shù)據(jù)表，計算填入數(shù)據(jù)表，計算V 。3、相位比較法測聲速、相位比較法測聲速 按圖按圖7-22接線，發(fā)射端接線，發(fā)射端S1接信號發(fā)生器接信號發(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。再從信號發(fā)生器。再從信號發(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正旋信號的合成利薩如圖形。正旋信號的合成利薩如圖形。 搖動聲速測試儀手柄，由近及遠使搖動聲速測試儀手柄，由近及遠使S2緩慢挪動，逐緩慢挪動，逐個記下示波器上相繼出現(xiàn)利薩如圖形為斜線時的個記下示波器上相繼出現(xiàn)利薩如圖形為斜線時的S2的的位置位置L1、L2、L10，填入數(shù)據(jù)表計算，填入數(shù)據(jù)表計算V 。 諧振頻率諧振頻率F= Khz， 室溫室溫t= C, ps= , r = 。序號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)處置要求分別對兩種方法的數(shù)據(jù)進展處置，計算分別對兩種方法的數(shù)據(jù)進展處置，計算、 V測、測、V理、理、Er。 計算：計算：1= 2聲速丈量值V測= 3聲速實際值聲速實際值V理理= 4V測與V理的相對誤差 Er Er = |V測-V理| / V理100%= 八、本卷須知八、本卷須知 1作為超聲波源，測試開場要仔細調(diào)作為超聲波源，測試開場要仔細調(diào)理信號發(fā)生器的輸出頻率使理信號發(fā)生器的輸出頻率使S1實現(xiàn)諧振，實現(xiàn)諧振，并堅持在穩(wěn)定的諧振形狀，以使便于測試。并堅持在穩(wěn)定的諧振形狀，以使便于測試。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，是經(jīng)過聲速測的挪動，是經(jīng)過聲速測定儀的絲杠、螺母構(gòu)成的傳動機構(gòu)實現(xiàn)的，定儀的絲杠、螺母構(gòu)