声速测量及声波干涉演示仪器的研制

    1 引言

    演示实验是大学物理实验教学中的一个有机组成部分,它可以提高学生的学习兴趣,培养学生的科学探索能力。在国外的大学物理课堂教学中,结合演示实验已是较为普通的一种教学形式,在我国许多高校,演示实验也逐渐成为物理课堂教学和实验教学的有力补充。本文介绍了我们研制的基于声波干涉、反射的两种演示实验装置。

    2 仪器原理及制作

    2.1 声速测量的演示装置

    声速测量是大学物理教学中的必修实验项目,在教育部分颁布的5基础课教学示范中心建设标准6(讨论稿)中,已明确将/声速测定仪0作为物理实验中心建议推荐的仪器之一,其相应的/声速测定0实验项目也被各高校列为教学大纲之中。目前,国内针对实验教学的声速测定仪主要采用超声波换能器来产生和接收声波,利用驻波原理来实现对声速的测量。其不足之处在于:学生无法直接感受所形成的驻波,整台仪器成本较高。我们根据多年的教学经验,通过对国内外高校在/声速的测定0教学内容差异的比较,研制出了一种简单的声速测量仪,该仪器具有使用简单,形象直观等优点。

    测量声速的装置示意图如图1所示,一个长112m的有机玻璃管用作波导管,其下方分别是安装有进水口与出水口,上方固定一个扬声器,扬声器由一频率可调的低频信号发生器驱动,对于一个选定的驱动频率,通过控制进水的流量及时间,可缓慢调节波导管内的液面高度,换言之,可实现扬声器与液面高度之间空气柱长度的连续可调。由于水的声阻抗远大于空气阻抗的属性,声波在水面反射时产生半波损失。所以,水面形成的反射面只能是波节。当空气柱长度Ln满足:Ln=(2n-1)K/4,  n=1,2,3,,时,根据驻波原理,上端管口处出现波腹,人耳可听到最强的共鸣声。如继续降低波导管中的水位,即加长空气柱的长度,可产生第2、3,,次共鸣,相应的空气柱长为L2,L3,,,,分别为3K/4,5K/4,由于相邻两次共鸣现象之间的空气柱长度之差为半个波长K/2,利用测到的L1,L3,,Ln可求得K。声波的频率f已知,测得声波在空气中传播的波长,就可由公式T=fK算出声速。

    实验仪器的实验照片如图2所示,主要结构包括:扬声器作为电声换能器,一端封闭带有刻度及进水和出水口的玻璃管作为波导管,固定支架,有放大功能的信号发生器及声检测器。

    实验方法是将水从波导管中慢慢流出,同时在波导管上端入置频率可以改变的扬声器,在水位下降的过程记录发生区鸣的水位,也就是说,实验中测量的是相邻两个共振态之间的距离,两个共振态之间的距离恰好是半个波长,从而推导出声波的波长。

    根据以上的实验方案,我们给出不同频率,不断改变波导管中水面的位置,从而记录产生共鸣的水位。室温为t=23.5e,应用V0(温度在0e时干燥空气中的声速V0=331.45/s)算出室温t下空气中的声速V6。