《大学物理实验》补充讲义

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1、天津理工大学理学院物理实验中g二零一六年一月实验一声速的测量1实验二固定均匀弦振动实验5实验三用准稳态法测量比热和导热系数11实验四多普勒效应综合实验20实验五数字示波器的使用30实验六数字万用表的使用33实验七电学元件伏安特性38实验一声速的测量声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。声速是描述声波在媒质中传播特性的一个重耍物理虽。它的测量方法可分为两类：第一类方法是根据关系式厶//,测出传播距离厶和所需的时间/后，即可算出声速S第二类方法是利用关系式u=〃，测量出声波的频率/和波长2,即可算出声速卩。本实验采用的时差法，属于第一类方法；驻波法（共振干涉法）、相位比

2、较法属于第二类方法。实验目的1•了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解；2.熟悉示波器及信号源的功能和使用方法；3.用驻波法、相位法、时差法测量声波在空气中传播的速度。实验仪器声速测定实验仪、双踪示波器实验原理在同一媒质中，声速棊本与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹，声速变化不到万分Z二。木实验的信号源采用超声波信号。超声波是一种频率大于2万赫兹的机械波。由于超声波具有波长短，易于定向发射等优点，我们通过测量超声波的速度來测定声速。超芦波在医学诊断、无损检测、测距等方而都有广泛的应用。1•压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器由压电陶

3、瓷环片和轻重不同的两种金属块组成，压电陶瓷环片是一种多品体（钛酸顿，错钛酸铅等）结构的压电材料制成。在压电陶瓷片的前后表血粘贴上两块金属纽成的夹心型振子，就构成了换能器。在压电陶瓷坏片的两底面上加上正弦交变电压，它就会按正弦规律发生纵向长度伸缩，并向空气屮发岀超声波。每个换能器都有其I古I有的谐振频率，换能器只冇在英谐振频率时才能冇效的发射（或接收）。实验时用一个换能器作为发射器，另一个作为接收器，两换能器的表面相互平行，且谐振频率匹配。2.驻波法测声速平面波以某一频率在介质中沿一直线传播，若遇到表而与波而严格平行的障碍物，在其界而以相同的频率、振幅、振动方向、沿

4、同一肓线反射冋去，这样反射波与入射波就在和遇空间产生T•涉，形成驻波。驻波某些点的振动始终加强，其振幅最人的点称为波腹；振幅最小的点称为波节。相邻两波节或波腹Z间的距离等于半波长。波在发生反射的界面处是形成波节还是波腹，与两种介质的密度冇关。如果波的反射是从较密的介质反射到较疏的介质，则在反射处形成波节，反之形成波腹。在压电陶瓷换能器的反射端将电信号转换为声信号，是声波的波源；接收端根据压电效应，它把接收到的声波转化为电信号，且在接受声波的同时反射部分声波。发射端、接收端的端面相向R严格平行，改变发射与接收端Z间的距离，当其为半波长的整数倍时，介质屮出现稳定的驻波

5、现彖。设某时刻两端面之间的距离厶=〃一（乃=1,2,3,...）,发射端所发出的声波向接收端传播，且在2接收端的端血•发生反射，于是声波在两端而形成驻波，反射而处是驻波的波节，声压最人;若端而间的距离厶tn-,则不能形成驻波，未形成驻波时，接收处的端而声压较小。故从2接收血处声压的变化來判断驻波是否形成。设当两端血之间的距离为时，有厶］二〃2(1)2此时两端面形成驻波，反射端血处是波节，声压最大。改变两端而Z间的距离，反射端而的声压减小，直到两端而间的距离改变到厶2时，有厶2=S+l)f(2)反射端处的声压又达到最大，从(1)、(2)式可得A=2

6、厶2—L、(3)

7、再从声速测定仪上读出声波的频率/,利用v=./Z即口J算出声速v。声速在弹性介质中传播的速度不仅由介质的物理性质决定，而II还与温度有密切的关系。声波在理想气体中的传播速度为式屮为摩尔气体常数&314Jmo「・K»)；“为相对分子质量；y=是气体摩尔定压热容与定容热容之比；T是热力学温度。显然有(5)式屮v0=331.45m/s,它是在0°C时，声波在空气屮传播的速度；f是摄氏温度。由(5)式即可算岀任意温度(时，声波在空气屮传播的速度。2.相位比较法测声速如图1所示，当声波沿0X轴传播时，X轴上各点的相位均落后于声源0。设0点的振动方程为yG=Acos(曲+(P

8、o)(6)(八-y-Acosco则任意一点B的振动方程为(7)式屮V是声波的传播速度，I是B点的坐标(0、B两点的距离)B点与0点的相位差为A=co—=2/r—(8)VA当/=n—时，2/(P=K17T(其中77=0,1,2,3,...)(9)实验时，改变发射端与接收端Z间的距离，观察相位的变化，即可确定半波长A/2o显然每改变半个波长，相位差就变化兀。相位差的变化可通过示波器来观察。随着两振动的相位差从0-兀的变化，图形从斜率为正的直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。选择判断比较灵敏的李萨如图形为直线的位置为测最的起点，每移动半个波长就会重复出现斜率符号相反的肓

9、线。总之，