對(duì)駐波法測聲速實(shí)驗(yàn)的初步探討

曹美萍 張靖園

(武警政治學(xué)院 上海 200435)

超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的特性及狀態(tài)等因素有關(guān)，因而，測定介質(zhì)中的聲速，在工業(yè)生產(chǎn)中具有一定的實(shí)用意義.空氣中聲速的測量以其實(shí)際應(yīng)用和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，被許多高校選作基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn).然而，被普遍選講的方法即駐波法其原理卻很難被學(xué)生理解，如文獻(xiàn)[1，2]只給了基本的結(jié)論性的原理，很多學(xué)生只機(jī)械地按實(shí)驗(yàn)步驟操作，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，物理原理依然云里霧里，直接影響了教學(xué)效果.學(xué)生在做這一實(shí)驗(yàn)時(shí)，基礎(chǔ)物理還不是很扎實(shí)，也沒有機(jī)會(huì)接觸深層次的物理實(shí)驗(yàn)，筆者從教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，認(rèn)為關(guān)鍵是沒有讓學(xué)生從基礎(chǔ)和根本上理解.因此，應(yīng)從基本原理入手，深入淺出，讓學(xué)生一步步理解物理原理后，再做這一實(shí)驗(yàn).這樣，不僅提高實(shí)驗(yàn)課的效率，學(xué)生也會(huì)加深對(duì)理論知識(shí)的理解.

1 實(shí)驗(yàn)測量波長

通過聲速公式v=λf將實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)集中到波長λ的測量.

首先，聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械波.其速度v與波源的振動(dòng)頻率f和波長λ之間的關(guān)系為波速公式. 因此,要知道聲速，可通過測量聲波的頻率f和波長λ來求得.當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)好后,可從數(shù)字頻率儀上直接讀出頻率f，因此,實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是測量聲波的波長.這一知識(shí)點(diǎn)傳遞給學(xué)生之后，學(xué)生會(huì)自然而然把注意力集中到如何測量聲波波長的關(guān)鍵問題上來.

2 駐波方程

通過基本推導(dǎo)使學(xué)生理解兩端面間距離為何值時(shí)形成駐波.

駐波法測聲速用到駐波的概念，而很多學(xué)生可能已經(jīng)忘記什么是駐波了，基礎(chǔ)差的學(xué)生甚至已經(jīng)忘記什么是波，所謂“磨刀不誤砍柴工”，有必要對(duì)波及駐波的概念加以復(fù)習(xí).

本實(shí)驗(yàn)近似認(rèn)為平面波在超聲換能器s1和s2兩個(gè)界面處被完全反射.

設(shè)沿x方向入射波方程為

(1)

反射波方程為

(2)

入射波與反射波干涉，在空間某點(diǎn)的合振動(dòng)方程為

(3)

式(3)為駐波方程.

分析式(3)可以得出，當(dāng)

位置上，聲振動(dòng)振幅最大，稱為波腹.當(dāng)

位置上，聲振動(dòng)振幅最小，稱為波節(jié).

當(dāng)s1與s2之間距離x等于半波長的整數(shù)倍時(shí)，即

形成駐波.

3 位移波形和聲壓波形

通過聲壓方程的推導(dǎo),使學(xué)生理解位移波形和聲壓波形之間的關(guān)系.

許多教材直接講到,當(dāng)s1,s2之間的距離是半波長的整數(shù)倍時(shí)，介質(zhì)中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波現(xiàn)象.反射面s2處是駐波的波節(jié)，聲壓最大.至于位移波形和聲壓波形之間的關(guān)系，卻沒有詳細(xì)講解，學(xué)生對(duì)這一結(jié)論一知半解.

本實(shí)驗(yàn)中，示波器顯示的波形,實(shí)際上不是位移波形而是聲壓波形，在接收器處之所以能夠接收波的信號(hào)，本質(zhì)上是接收器處感受到了波的聲壓.根據(jù)聲學(xué)理論，在一維情況下，若忽略媒質(zhì)對(duì)聲波的吸收，則聲壓與空氣中分子的位移之間關(guān)系為

其中ks為媒質(zhì)的絕熱體質(zhì)彈性系數(shù)，將式(3)代入，可得各點(diǎn)處的聲壓振動(dòng)方程為

(4)

位移波形方程式(3)和聲壓波形方程式(4)的圖像如圖1所示.

圖1 位移圖像和聲壓圖像

由此可看出，聲壓的極大值隨距離周期性變化.對(duì)式(3)和式(4)加以比較或直接由圖1可以知道，在聲場中空氣質(zhì)點(diǎn)位移為波腹的地方，聲壓為波節(jié),而空氣質(zhì)點(diǎn)位移為波節(jié)的地方，聲壓為波腹.

在作為反射面的剛性平面處，空氣質(zhì)點(diǎn)的位移恒為零，聲壓恒為波腹.當(dāng)s1s2之間的距離l是半波長的整數(shù)倍時(shí)，駐波才有最大的振幅，此時(shí)聲壓最大，示波器上顯示的信號(hào)最大.當(dāng)不是半波長的整數(shù)倍時(shí)，駐波振幅隨之減小，聲壓減小.當(dāng)再次回到半波長整數(shù)倍時(shí)，駐波振幅再次達(dá)到最大，此兩狀態(tài)之間，s1s2之間的距離變化了半個(gè)波長.

上述討論不僅有利于加深學(xué)生對(duì)波及駐波概念的理解，還能使學(xué)生對(duì)這一物理實(shí)驗(yàn)的基本原理的理解更加透徹，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的位移波形和聲壓波形之間的關(guān)系這一理論難點(diǎn)的掌握，在做實(shí)驗(yàn)過程中，既動(dòng)手又動(dòng)腦.有利于學(xué)生對(duì)駐波法測聲速實(shí)驗(yàn)的更好地把握.

參考文獻(xiàn)

1 張兆奎,繆連元,張立．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)．北京:高等教育出版社，2001．218～220

2 厲愛皊,穆秀家．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)．北京:高等教育出版社，2006．84～86