沈 飛，劉雪芳

（灌南高級中學(xué)，江蘇灌南222500）

聲速測量實驗

沈 飛，劉雪芳

（灌南高級中學(xué)，江蘇灌南222500）

介紹了2個有趣的測量聲速的實驗：在室內(nèi)，采用駐波法結(jié)合電腦來測量聲速；在室外，利用不同的傳播途徑結(jié)合電腦來測量聲速.2個實驗可以讓學(xué)生直接參與實驗操作，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣.

聲速；駐波；時間

1 引 言

物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科.設(shè)計簡單、有趣的課外小實驗，可以豐富學(xué)習(xí)內(nèi)容，開發(fā)學(xué)生智力，培養(yǎng)觀察能力和動手操作能力.而聲速是物理中常用的物理量，聲速的測定能讓學(xué)生更直觀地接觸實驗操作.以下2個實驗正是以此為目的設(shè)計的.

2 室內(nèi)測聲速

2.1 實驗原理

在室內(nèi)，采用駐波法測量聲速.實驗示意如圖1所示，使上方的音箱發(fā)出特定已知頻率聲波，聲波在管內(nèi)的水面處產(chǎn)生部分反射，形成駐波.原理如圖2所示.

圖1 實驗示意圖

圖2 實驗原理圖

將耳朵靠近管口，并豎直調(diào)節(jié)管插入水中的深度，尋找聲音最大點，如圖2最上端的波腹處，這就是振動加強點.再次調(diào)節(jié)管的深度，測量連續(xù)2個振動加強點的管的深度差ΔL.而ΔL恰好等于半波長，即

因為已知聲波頻率f，ΔL可由讀數(shù)標尺測得.而

由（1）和（2）式得

故實驗內(nèi)容即是測量在不同頻率聲波下ΔL值.

2.2 實驗材料及實驗步驟

1）創(chuàng)建聲音文件.利用電腦軟件創(chuàng)建1組頻率聲音信號，頻率分別為：1.6，2.0，2.4，2.8，3.2，3.6，4.0，4.4kHz.

2）將水桶裝約4／5的水.

3）在電腦上播放創(chuàng)建的聲音文件.

4）將管插入水中，耳朵靠近管口.緩慢調(diào)節(jié)管插入水中的深度，確認聲強最大，這是共振加強點1，在管外壁記錄標度1位置.保持耳朵離管口距離，再次調(diào)節(jié)管的深度，當(dāng)再次確認聲強最大時，在管外壁記錄標度2位置.用米尺測量2個標度點距離，并記錄在表中.

5）依次播放其余聲音文件，并記錄對應(yīng)頻率下的ΔL值.

2.3 數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理

實驗測得數(shù)據(jù)及計算數(shù)據(jù)見表1.由表1作圖如圖3所示，由此可得出ΔL與1／f直線方程：

表1 實驗數(shù)據(jù)

圖3 ΔL－f－1圖像

通過計算可以獲得聲音的速度.在室溫下測得聲音速度是342m／s.

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2.4 注意事項

1）播放音頻文件時聲音不能太大，避免影響尋找加強點.

2）由于聲強最大點不容易準確確定，可以尋找多個最強點間距離取其平均值，以減小誤差.

3）頻率越高，相對誤差越大.建議選取低頻率進行實驗.

2.5 總結(jié)與思考

該實驗在不同環(huán)境下多次實驗，發(fā)現(xiàn)相對偏差基本在5%內(nèi).該實驗簡單、實用，可由學(xué)生獨立完成，能激發(fā)學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

3 室外測聲速

3.1 實驗原理

分析已知距離下，不同傳播渠道聲音的時間差，得到聲速.實驗內(nèi)容為錄制對講機和空氣中聲音信號.

3.2 實驗材料及實驗步驟

實驗材料：發(fā)令槍，錄音筆，對講機，電腦.

實驗步驟：

1）在操場跑道上選定100m的距離.

2）將對講機分別放置在跑道兩端.其中跑道一端放置發(fā)令槍，另一端放置錄音筆.

3）在跑道的一端學(xué)生將錄音筆緊靠在對講機處，并開始錄音，同時給另一端持發(fā)令槍的學(xué)生信號，示意鳴槍.

4）持有發(fā)令槍學(xué)生將發(fā)令槍靠近對講機，并且鳴槍.

5）持有錄音筆的學(xué)生聽到分別從對講機和空氣中傳來的信號后，關(guān)閉錄音筆.

6）重復(fù)實驗2次.

3.3 數(shù)據(jù)處理

由于聲音信號經(jīng)過對講機被轉(zhuǎn)換成電磁波信號，在100m距離傳播時間忽略不計.在跑道另一端得到的2個聲音的時間差值，就是聲音在空氣中傳播的時間.

在電腦上用“音頻混音剪輯大師”軟件打開錄音文件，去掉開始和結(jié)尾多余部分，分析具有相同頻率和波形的數(shù)據(jù)，得到如圖4所示的數(shù)據(jù)圖像，選擇2個聲強最大值（如圖5），可以得到時間間隔為0.301s，這就是聲音在100m距離傳播的時間，由此可計算出聲速為

圖4 數(shù)據(jù)圖像

圖5 選擇數(shù)據(jù)最大的2個值的圖像

3.4 總結(jié)與思考

操作時應(yīng)選擇無噪音、無建筑物場所，避免噪音和反射音波形造成影響.實驗測量值和標準值相差很小.此實驗也可測量聲音的傳播時間來計算兩地距離.本實驗必須由多人室外合作完成，這可以活躍課外學(xué)習(xí)氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，使其勤于思考，樂于實踐.

4 結(jié)束語

通過以上2個課外小實驗，使學(xué)生所學(xué)知識在實踐中得以應(yīng)用，能培養(yǎng)其實踐和實際應(yīng)用能力.同時，實踐應(yīng)用也成為學(xué)生加深對知識的理解和記憶的最好方法，達到課堂實驗教學(xué)所不能達到的教學(xué)效果，事半功倍；還可以培養(yǎng)學(xué)生的研究思維能力，提高物理教學(xué)質(zhì)量.

［1］ 邢鍵，孫晶華.水中聲速的測量［J］.物理實驗，2011，31（1）：34－35.

［2］ 王開圣，趙志敏，劉小廷.聲速測量實驗原理討論［J］.物理實驗，2010，30（3）：25－28.

［3］ 張正康，周天賜，韓杰克，等.基于超聲波干涉的峰谷法計算聲速值及實驗誤差計算［J］.物理實驗，2011，31（4）：42－45.

Experiments of measuring sound speed

SHEN Fei，LIU Xue－fang
（Guannan Senior High School，Guannan 222500，China）

Two interesting experiments of measuring sound speed were introduced.In the first indoor experiment，the sound speed was measured with computer－aided standing wave method；in the second outdoor experiment，the sound speed was measured with different routes of transmission assisted by computer.The practice showed that the two experiments were interesting and feasible，and students could join in both of two experiments.It stimulated students’interests in learning.

sound speed；standing wave；time

G633.7

A

1005－4642（2012）10－0017－03

［責(zé)任編輯：尹冬梅］

2012－06－01

沈 飛（1979－），男，江蘇連云港人，灌南高級中學(xué)一級教師，學(xué)士，從事中學(xué)物理教學(xué)工作.