張 瑛 李艷茹 張皓晶 張 雄

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

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一種測(cè)聲速的新裝置*

張 瑛 李艷茹 張皓晶 張 雄

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

聲速的測(cè)定是物理學(xué)中一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，就目前而言已有多種測(cè)定方法可以供我們選擇，本文中介紹一種測(cè)聲速的簡(jiǎn)單新裝置，本裝置通過聲波的反射、疊加，利用鋼管中液體的振動(dòng)來測(cè)定聲音在液體中的傳播速度，該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)儀器精度高，可行性高，可以在物理教學(xué)中推廣使用．

聲速 鋼管 計(jì)時(shí)器 線圈 鐵錘

1 引言

在初中物理八年級(jí)全一冊(cè)中提到聲音可以在液體中傳播，但課本上并沒有談及利用實(shí)驗(yàn)裝置來測(cè)量聲音在液體中的傳播速度．在大學(xué)教材《普通物理教材》中提到測(cè)量聲速常用的方法有3種：駐波法(共振干涉法)、相位比較法(李薩如圖法)、時(shí)差法．在這3種方法中，時(shí)差法的測(cè)量精度是最高的，因?yàn)轳v波法和李薩如圖法是通過觀察者觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)時(shí)難免存在一種視覺上的誤差，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的精確度降低．

由于時(shí)差法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由儀器本身來記錄，因此實(shí)驗(yàn)誤差相對(duì)較小，測(cè)量精度最高，只需要考慮儀器本身的測(cè)量精度即可，所以在許多工程上都是采用時(shí)差法來測(cè)量聲音的傳播速度．

但是傳統(tǒng)的時(shí)差法實(shí)驗(yàn)裝置存在設(shè)備難以調(diào)節(jié)，示波器和信號(hào)源的操作要求較高，對(duì)實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)技能和方法沒有任何幫助，對(duì)學(xué)習(xí)者的要求較高等因素，這個(gè)實(shí)驗(yàn)不適用于所有的群體，有一定的特殊性，所以本文將介紹一個(gè)實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)裝置以協(xié)助測(cè)定聲音在液體中的傳播速度．

2 傳統(tǒng)時(shí)差法測(cè)聲速的實(shí)驗(yàn)裝置及原理

時(shí)差法測(cè)聲速的實(shí)驗(yàn)器材有：SVX信號(hào)源、示波器、脈沖發(fā)生器、接收換能器、超聲實(shí)驗(yàn)裝置、控制電路．時(shí)差法測(cè)試聲速的基本原理是基于速度

通過在已知的距離內(nèi)計(jì)測(cè)聲波傳播的時(shí)間；從而計(jì)算出聲波的傳播速度，在一定的距離之間 由控制電路定時(shí)發(fā)出一個(gè)聲脈沖波，經(jīng)過一段距離的傳播后到達(dá)接收換能器．接收到的信號(hào)經(jīng)放大，濾波后由高精度計(jì)時(shí)電路求出聲波從發(fā)出到接收這個(gè)在介質(zhì)傳播中經(jīng)過的時(shí)間，從而計(jì)算出在某一介質(zhì)中的傳播速度．

本實(shí)驗(yàn)避免了人為反應(yīng)時(shí)間，直接由儀器本身來計(jì)測(cè)，所以其測(cè)量精度較高．實(shí)驗(yàn)裝置如下圖1所示.

圖1 時(shí)差法測(cè)聲速的實(shí)驗(yàn)裝置[1]

3 新型實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)聲速的工作原理

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]，鐵錘(質(zhì)量m=0.2 kg)，活塞(無磁性)，磁鐵片，啟動(dòng)線圈，裝滿水的鋼管(長(zhǎng)l=1.4 m)，停止線圈，計(jì)時(shí)器．鐵錘用于敲擊活塞，活塞放入鋼管中50 mm，鋼管裝滿水，起始線圈(600匝線圈)上端有磁鐵片連接應(yīng)變計(jì)，把信號(hào)送給計(jì)時(shí)器，此時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)聲波和水波一起運(yùn)動(dòng)到停止線圈時(shí)，停止線圈(3 600匝線圈)處的應(yīng)變計(jì)把駐波信號(hào)傳給計(jì)時(shí)器，此時(shí)計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)．

圖2 新型實(shí)驗(yàn)裝置

啟動(dòng)線圈的內(nèi)部組成：由鋼自攻螺釘、磁盤釹磁鐵(10 mm×4 mm)，銅桿，600匝的線圈，15 mm寬的銅管．

停止線圈的內(nèi)部組成：釹磁鐵，3 600匝線圈，橡膠圈，橡膠塞子，木塊．

空心線圈傳感器原理：將感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成電流，利用繞成的線圈產(chǎn)生反饋磁場(chǎng)．

感應(yīng)式空心線圈傳感器產(chǎn)生的電壓是由法拉第電磁感應(yīng)定律得到

式中，n為線圈的匝數(shù)，φ為磁通量，S為線圈的截面積，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度．

自感電動(dòng)勢(shì)的公式

式中L為自感系數(shù)，ΔI為電流的變化．

起始線圈的工作原理：當(dāng)釘錘敲擊活塞，活塞向下運(yùn)動(dòng)，線圈中磁盤的磁鐵吸附在活塞上，線圈中的磁鐵發(fā)生移動(dòng)，使得線圈的磁通量發(fā)生變化，引起線圈中自感電壓的變化，電流也發(fā)生變化，產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，使得應(yīng)變計(jì)開始工作，應(yīng)變計(jì)把信息傳遞給計(jì)時(shí)器并開始計(jì)時(shí)．

停止線圈的工作原理：當(dāng)水波向下移動(dòng)到底部，接觸到釹磁鐵，線圈中的磁鐵發(fā)生移動(dòng)，使得線圈的磁通量發(fā)生變化，引起線圈中自感電壓的變化，電流也發(fā)生變化，產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，使得應(yīng)變計(jì)開始工作，應(yīng)變計(jì)把信息傳遞給計(jì)時(shí)器并停止計(jì)時(shí)．

3.2 測(cè)聲速實(shí)驗(yàn)原理

聲速就是聲音的傳播速度，單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)波傳遞的距離，也就是聲波傳播的速度．聲波是一種縱波，因此在利用圖2的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)聲音在水中的傳播速度實(shí)驗(yàn)時(shí)，就是利用聲波的反射和疊加來產(chǎn)生縱波的駐波，聲音駐波的振動(dòng)使得水發(fā)生振動(dòng)，聲波順著水波一起移動(dòng)．

實(shí)驗(yàn)時(shí)用鐵錘敲打活塞，活塞突然向下移動(dòng)幾毫米，此時(shí)管中的水將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波形，磁盤的磁鐵吸附在活塞上將會(huì)運(yùn)動(dòng)，磁鐵誘發(fā)啟動(dòng)線圈，線圈處的應(yīng)變計(jì)打開計(jì)時(shí)器并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)波形到達(dá)底部，它將使另一個(gè)磁盤的磁體向下移動(dòng)誘發(fā)停止線圈，線圈處的應(yīng)變計(jì)關(guān)閉計(jì)時(shí)器并停止計(jì)時(shí)．(鋼棒的感應(yīng)磁鐵必須有效,當(dāng)鐵錘接觸活塞的時(shí)候,磁鐵必須使起始線圈開始反應(yīng)，木塞必須被浸入水中50 mm，聲波的能量通過水傳給磁鐵，水必須裝滿鋼管并淹沒在磁鐵的上面，聲波有足夠的能量使得水波足夠明顯)．

計(jì)時(shí)器上的時(shí)間t就是聲音在鋼管即水中的傳播時(shí)間．根據(jù)鋼管的長(zhǎng)度和計(jì)時(shí)器所記錄的時(shí)間．測(cè)駐波的運(yùn)動(dòng)時(shí)間時(shí)，多做幾次實(shí)驗(yàn)，測(cè)出每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間t，利用公式

求出時(shí)間t的平均值，使用公式

計(jì)算出聲音在水中的傳播速度．

4 總結(jié)

該實(shí)驗(yàn)裝置的思想來自Richard J Ward，它應(yīng)用這個(gè)測(cè)聲速裝置在教學(xué)中做了10年的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)操作方便，成本較低，學(xué)生易懂容易接受，一直深受學(xué)生的喜歡．我們可以把這個(gè)裝置在教學(xué)中推廣使用，用于彌補(bǔ)中學(xué)物理缺少聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)的不足．該實(shí)驗(yàn)裝置還可以改變鋼管內(nèi)液體或氣體的密度、溫度、濕度來測(cè)量聲速．

1 楊述武.普通物理教學(xué).北京:高等教育出版社，2000

2 Richard J Ward Measuring the speed of sound in water.The Physics education,2015(6):727～732

3 劉炎松.物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究.北京：冶金工業(yè)出版社,2009.11～19

4 曹志輝，周有慶，彭春燕，龔偉，吳濤，周華平.螺線管空心線圈電子式電壓互感器.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2010(2)

5 符磊，林君，王言章，王世隆，楊蒙蒙.磁通負(fù)反饋空心線圈傳感器的特性和噪聲的研究.儀器儀表學(xué)報(bào),2013(6)

A New Device on Measuring Sound Velocity

Zhangying Liyanru Zhanghaojing Zhangxiong

(Physical and Electronic Information Institute of Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650500)

The measurement of sound velocity is a basic experiment in physics,for now there are a variety of measuring methods for us to choose.This article introduces a new device to measure sound velocity simply.This device can determine the sound velocity in liquid by the acoustic reflex and overlay,and the liquid vibration in steel tube.This experiment can be operated smply with precision instruments.And also for its high feasibility,it can be adapted widely in physics teaching.

sound velocity;steel pipe;timer;coil;ammer

*國(guó)家教育部高等學(xué)?！拔锢韺W(xué)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”項(xiàng)目“物理學(xué)專業(yè)”資助．

張瑛(1991- )，女，碩士研究生在讀，物理學(xué)科教學(xué)方向．

張皓晶(1982- )，男，副教授，主要從事天體物理和物理課程與教學(xué)論方向．

2015-12-01)