《大学物理实验》补充讲义.docx

<大学物理实验>补充讲义
天津理工大学理学院物理实验中心
二零一六年一月
目录
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要物理量。它的测量方法可分为两类:第一类方法是根据关系式,测出传播距离和所需的时间后,即可算出声速;第二类方法是利用关系式,测量出声波的频率和波长,即可算出声速。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,声速基本与频率无关,例如在空气中,频率从20赫兹变化到8万赫兹,声速变化不到万分之二。本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来测定声速。超声波在医学诊断、无损检测、测距等方面都有广泛的应用。
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晶体(钛酸钡,锆钛酸铅等)结构的压电材料制成。在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属组成的夹心型振子,就构成了换能器。在压电陶瓷环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,并向空气中发出超声波。每个换能器都有其固有的谐振频率,换能器只有在其谐振频率时才能有效的发射(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,若遇到表面与波面严格平行的障碍物,在其界面以相同的频率、振幅、振动方向、沿同一直线反射回去,这样反射波与入射波就在相遇空间产生干涉,形成驻波。驻波某些点的振动始终加强,其振幅最大的点称为波腹;振幅最小的点称为波节。相邻两波节或波腹之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,与两种介质的密度有关。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、接收端的端面相向且严格平行,改变发射与接收端之间的距离,当其为半波长的整数倍时,介质中出现稳定的驻波现象。设某时刻两端面之间的距离=(…),发射端所发出的声波向接收端传播,且在接收端的端面发生反射,于是声波在两端面形成驻波,反射面处是驻波的波节,声压最大;若端面间的距离≠,则不能形成驻波,未形成驻波时,接收处的端面声压较小。故从接收面处声压的变化来判断驻波是否形成。设当两端面之间的距离为时,有
(1)
此时两端面形成驻波,反射端面处是波节,声压最大。
改变两端面之间的距离,反射端面的声压减小,直到两端面间的距离改变到L2时,有
(2)
反射端处的声压又达到最大,从(1)、(2)式可得
(3)
再从声速测定仪上读出声波的频率,利用即可算出声速。
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,而且还与温度有密切的关系。声波在理想气体中的传播速度为
(4)
式中为摩尔气体常数(J·mol·K);为相对分子质量;是气体摩尔定压热容与定容热容之比;是热力学温度。显然有
(5)
式中m/s,它是在0C时,声波在空气中传播的速度;是摄氏温度。由(5)式即可算出任意温度时,声波在空气中传播的速度。
3. 相位比较法测声速
如图1所示,当声波沿OX轴传播时,X轴上各点的相位均落后于声源O。设O点的振动方程为
(6)
则任意一点B的振动方程为
(7)
式中是声波的传播速度,是B点的坐标(O、B两点的距离)
B点与O点的相位差为
△(8)
当时,
△(其中…) (9)
实验时,改变发射端与接收端之间的距离,观察相位的变化,即可确定半波长。显然每改变半个