牛顿第二定律的验证.docVIP

课题3：利用CBL和电压探头测声速 （此课题可以用于高二选修课） 实验原理 利用波的特性，使用一固定频率的声源，在声源及离开声源一段距离的位置上分别放置两个拾音装置，当声音以一定的速度传播时，在两处接受到的振动存在一定的位相差，由此可以反推时间差，并利用公式V=△S/△t求的波速。 实验器材 固定频率音叉、压电陶瓷片、麦克风、管子、直尺（精确到cm）、TI-83、CBL。 实验装置 如图所示 实验步骤 1．预置： 按图摆放实验器材，将麦克风放置在距离为L的管内某处，将探测器、CBL、TI-83准确连接。 设置TI-83.依次：Apps-Physics-Set up probes-two-(more-voltage)-zero probes-collect data-Time Graph-△t:0.0003 n:60-collect 2．数据采集 用橡皮垫圈敲击音叉、待声音较稳定时启动TI-83。 对收集到的数据用plot图观察，选取满意的一组，存储备用 反复测量收集多组数据 数据处理 1．△S的确定 按图所示安装好实验装置。敲击音叉产生正弦波，压电陶瓷片记录波源的振动图线；动圈麦克风纪录距离波源一段距离位置处的振动图线。两振动存在一定的相差，即△t=△s/v。 由于在波的传播方向上，各点的振动频率一致，距波源较远的点的振幅较小。所以，将两振动图象同时显示，振幅较小的为距波源较远点的振动图线，相邻波峰之间的时间为△t。 这样测量，△t可以很精确，但△s很难确定。 原因如下： （1）声源的位置不能直接测量 音叉接在共鸣腔上，加上共鸣腔会对声音的传播产生影响。所以声源的位置不能简单看作在音叉末端或在共鸣腔的边缘。 （2）振动点的位置不能直接测量 我们采用动圈麦克风记录振动图线，但线圈的准确位置（振动点的位置）我们不能直接确定。 以上两个原因造成波源与振动采样点之间距离测量的偏差。 为了消除上述测量偏差，我们将动圈麦克风分别放在沿波传播方向、距波源距离不等的两点P1、、P2上测量与音叉振动点P0的相位差△t1和△t2，以麦克风两次移动的距离作为两测量点之间的距离。 如图所示： △t=△t2-△t1=S2/v-S1/v 令 △S=S1-S2 △t=△t2-△t1 有 v=△S/ △t 针对以上分析，将实验方案修改如下： （1）.将动圈麦克风放置在靠近音叉的位置，同时记录音叉和该点的振动图线，并将数据保存至数组。 （2）.移动动圈麦克风至距音叉较远的另一位置，同时记录音叉和该点的振动图线，并将数据保存至另一数组。 （3）.记录移动距离为△s （4）.利用TI-83计算器显示振动图线，求出相位差△t 2．△t的确定 下图为实验测得的一组典型数据。 比较上图，可知△t2明显比△t1小，与事实不符合，原因在于P2P0的距离大于一个波长，即△t2＞T。式中T为振动周期。P1、P2两点的相位差△t可能更长，可能要加上n个周期才行。这在图中无法直接判断。为此我们就用音叉的频率和前面实验估算出的声速v，估算一个波长的距离：λ=v/f ，把△S控制在一个波长以内，这样，实验将遇到两种情况： 情况一：当△t2△t1时 △t=△t2-△t1 情况二：当△t2△t1时 △t=T+△t2-△t1=△t’2-△t1 通过以上分析，我们测得的数据属于第二种情况。 3．典型数据及结论 △t1=0.0026168s △t’2=0.0045872s △t=0.0019764s △s=0.665m V=△s/△t=337.50m/s 实验后记： 通过两种方案的测量,我们得到了几组声速值,由于实验器材的限制以及TI-83采样精度的限制，使得几组数据存在一定偏差，但是可以看到这些测量值与我们所知道的空气中的声速V=340m/s还是十分接近的。对于如何提高实验精度，减小误差所造成的影响等，我们将在今后进一步研究和讨论。 评：此实验的优点是无需Vernier提供的声音探测仪（MICROPHONER），只要利用与CBL配套的基本探头（电压探头）以及普通的压电陶瓷、动圈话筒就可以开展实验。通过此实验可以使学生很好的理解振动和波的关系。 上海交通大学附属中学 王铁桦 P0振动图 △t’2 △t2 P2振动图 P0振动图 P1振动图 △t1 动圈麦克风 压电陶瓷片