空氣中聲速測量方法的改進

摘 要: 本文介紹了一種利用摩托車、秒表和卷尺測量空氣中聲速的新型實驗方案，該方案原理簡單，器材易得，操作可行性高，且實際測量結果較準確，適合初中生使用。

關鍵詞: 空氣中聲速測量方法 改進 注意點 優點

一、常見空氣中聲速測量方法

聲速的測量通常有兩類方法:一種方法是測量聲波傳播的距離s和時間t，然后根據公式v=s/t計算出聲速;另一種方法是測量聲波的頻率f和波長λ，然后根據公式v=λf計算出聲速。

前一種方法只需要長度測量工具刻度尺和時間測量工具秒表，后一種方法則需要聲速測量儀、示波器、信號發生器等專業工具，且后期的分析處理較為復雜。所以在初中物理學中聲速的具體測量方案都是基于前一種方法設計的。教材中普遍使用了發令槍測聲速，即一名同學持發令槍在起點發令，另一名同學在終點測出看到發令槍冒煙和聽到槍聲間的時間間隔t，再根據公式v=s/t算出空氣中聲速。

在實際教學中，我們基于前一種測量原理，進行了各種聲速測量嘗試，找到一種較為準確且簡單的測量方法:利用摩托車測量法。

二、改進后的空氣中聲速測量方法

1.實驗原理

v=s/t。

2.實驗器材

摩托車(豪爵海王星)、卷尺、秒表(電子式)。

3.實驗方案

首先用卷尺測出合適的直線距離s，在該直線距離的起點放置一輛摩托車，并將摩托車頭部正對直線距離終點的同學乙，起點同學甲使得摩托車喇叭和頭部車大燈(頭燈)同時工作，終點的乙同學自看到摩托車車燈亮起時開始用秒表計時，待聽到摩托車喇叭聲時停止計時，所測時間即為聲音在直線距離s中傳播所用時間t，再根據v=s/t計算出空氣中的聲速。

為了解決傳統發令槍測聲速中距離難把握的問題，我們在實驗中采取從聲源(摩托車喇叭)逐漸遠離的方法進行了對比，在確保能較清晰地聽到聲源發出聲音的前提下，通過多次比較發現距離在600m左右為最佳，大大減小了人的反應時間對測量結果的影響。

4.實驗數據及處理

在多次對比實驗的基礎上了最終確定了直線距離為s=612m，并測量出了18組數據。根據公式v=s/t我們分別算出18次實驗中的聲速，如表1所示。

根據多次測量取平均的方法，根據18次所測得聲速求得所測聲速為v=327.8m/s。

同學甲將起點摩托車移至終點位置，而乙同學移至起點，重復實驗，再測出18數據。根據公式v=s/t，我們分別算出了18次實驗中的聲速，如表2所示。

根據多次測量取平均的方法，根據18次所測得的聲速可求得所測聲速為v=321.5m/s。

5.實驗思考

為什么兩次實驗結果有較大的差異?

分析:測量中所選擇的直線距離沿著南北方向，兩次聲源和測量者的位置正好相反，前18組數據是順風測量的，而后18組數據是逆風測量(風向為西北風)，風速影響了聲速。

三、實驗注意點

綜合多次實際測量操作，在具體實驗時我們需要注意以下幾點。

1.所選摩托車的車頭大燈亮度較亮，摩托車喇叭聲音較響。

2.所測直線距離要適中，對于豪爵海王星踏板摩托車距離600m左右較為合適。不同型號摩托車的喇叭響度不同，在實際實驗中可采取從聲源處逐漸遠離的方法尋求最佳距離。

3.為保證車燈和喇叭同時工作，先將車燈開關打開，同時左手長按喇叭按鈕，右手通過撥動鑰匙來使得摩托車電路接通，使得車燈和喇叭同時通電而同時工作。

4.盡量選擇無風或風速較小時進行實驗，以減小風速對聲速的影響。

5.為防止環境噪聲的影響，可選擇晚上進行實驗，而且可增加對車燈的可視度，提高實驗的精確度。

6.在具體實驗前，甲乙同學應進行多次練習，熟練配合，實驗時應該進行多次實驗，確保實驗測量的準確性。

四、實驗方案優點

該方案原理簡單，所用器材簡單常見，無需專業測量儀器，操作簡單，可行性較強，適宜所有中學使用。更重要的是在夜晚漆黑安靜環境中操作實驗，摩托車車燈的視覺效果和摩托車喇叭聲音的聽覺效果較好，實驗中聲音傳播距離較長，最大限度地減小人的反應時間的影響，測量結果較精確。

參考文獻:

[1]中華人民共和國教育部.全日制義務教育物理課程標準[S].北京:北京師范大學出版社，2001.

[2]安忠.中學物理實驗教學研究[M].北京:高等教育出版社，1986.

[3]劉炳生，馮容士.中學物理實驗教學與自制教具[M].上海:上海教育出版社，2000.