《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 -1- 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 tLv/?, 测出传播距离 L 和所需的时间 t 后, 即可算出声速 v ; 第二类方法是利用关系式?fv?, 测量出声波的频率 f 和波长?, 即可算出声速 v 。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 L =2 ?n (,3,2,1?n …) ,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 L ≠2 ?n , 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-2- 2 1?nL?(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 L 2 时,有 2 )1( 2???nL (2) 反射端处的声压又达到最大,从( 1)、(2 )式可得 122LL???(3) 再从声速测定仪上读出声波的频率 f ,利用?fv?即可算出声速 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??RTv?(4) 式中 R 为摩尔气体常数( 314 .8?R J· mol 1?·K1?);?为相对分子质量; vCC ???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 15 .273 115 .273 115 .273 )15 .273 ( 0tv tRRt RTv?????????????(5) 式中45 .331 0?v m/s , 它是在 00 C时, 声波在空气中传播的速度;t 是摄氏温度。由(5)