聲速測量演示實驗的設(shè)計

楊文健,何慧穎,熊舉峰

(湖南師范大學 物理與電子科學學院，湖南 長沙 410081)

聲速是初中物理的重要內(nèi)容和知識點，不同版本教科書對判斷聲速的大小都有所介紹，蘇科版物理教科書中使用鳴槍法來測量聲速(圖1)，但這種方法的實驗效果受實驗人員反應(yīng)速度的影響較大. 也有其他的聲速測量方案，例如基于共鳴法利用手機軟件測量聲速[1]，利用手機軟件采集共鳴管中聲音的基頻并結(jié)合聲駐波原理計算聲速[2]，利用手機測量雙開口吸管中駐波的頻率從而計算出聲速[3]. 但是以上方案的實驗原理都涉及到駐波相關(guān)理論，初中生較難理解.

圖1 教材對聲速的探究

根據(jù)初中生的認知水平利用聲波傳感器設(shè)計了測量聲速的演示實驗，讓學生從定性和定量的角度認識聲音，該實驗操作簡單，實驗現(xiàn)象清晰、直觀，適合用于初中物理實驗教學.

1 實驗原理

本實驗利用時差法測量聲速. 將2個聲波傳感器放置于不同位置處，用于接收聲源發(fā)出的聲音. 利用DIS系統(tǒng)可以將2個傳感器所接收到的聲音信號以波形圖的形式顯示出來，再通過觀察這2個波形圖可以計算出聲音傳播至2個不同傳感器的時間間隔Δt，然后測量出2個聲波傳感器之間的距離d,根據(jù)v=d/Δt即可計算出聲速.

2 實驗設(shè)計

實驗包括3部分：

1)定性演示聲速的存在，讓學生意識到聲音的傳播需要一定的時間；

2)定量測量聲速的大小，深化學生對聲速的認識；

3)研究聲速與其影響因素的關(guān)系，進一步鍛煉學生的探究能力.

2.1 定性演示聲速

通過對比法定性演示聲音的傳播需要一定時間. 讓2個聲波傳感器與聲源(音叉)距離相同，比較2個傳感器接收到的聲音信號波形圖.

實驗過程及現(xiàn)象：

1)將2個聲波傳感器并排放置，音叉正對著2個傳感器的中心位置，再將2個傳感器通過數(shù)據(jù)采集器連接到電腦，如圖2(a)所示.

(a) 實驗裝置

2)打開DIS系統(tǒng)，在軟件界面點擊開始，然后敲擊音叉，再點擊停止，得到聲波圖像. 為了便于比較，可以在2個通道的圖像窗口設(shè)置相同的橫軸坐標范圍，再適當調(diào)整縱軸坐標，得到如圖2(b)所示的波形圖. 發(fā)現(xiàn)2個傳感器并排放置時，波形起振時刻一致，說明聲音傳到2個傳感器的時刻相等.

3)將2個傳感器分開一定距離，同樣將聲源放置在傳感器所處的直線上，如圖3(a)所示. 重復步驟2)，可以得到如圖3(b)所示的波形圖. 發(fā)現(xiàn)當2個傳感器分開一定距離后，它們的波形起振時刻存在明顯的差別，距離聲源較近的傳感器更早地檢測到聲波.

(a)實驗裝置

在教學過程中，還可以交換2個傳感器的位置，讓學生觀察靠近聲源的傳感器總是更先接收到聲波，也可以通過改變傳感器之間的距離發(fā)現(xiàn)2個傳感器之間的距離越大，其波形間隔越大的現(xiàn)象. 在該實驗的基礎(chǔ)上，教師可以引入聲速的概念，并且啟發(fā)學生思考如何利用現(xiàn)有條件測量聲速.

2.2 定量測量聲速

通過測量2個聲波傳感器之間的距離d和聲音經(jīng)過這段距離所需要的時間Δt，可定量計算出聲速的大小. 在實驗過程中，為了便于對齊2個傳感器并測量它們之間的距離，可以將傳感器固定在平直軌道上.

實驗過程：

1)將2個聲波傳感器固定在平直軌道上，并將聲源放置于傳感器所處的直線上，如圖4(a)所示，記錄傳感器之間的距離d.

(a)實驗裝置

3)改變2個傳感器之間的距離d，重復步驟2)，進行多次測量.

表1 不同距離聲速測量實驗數(shù)據(jù)(第1個波峰時刻)

2.3 探究影響聲速的因素

在不同版本的教科書中都有提及，聲速的大小與媒質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)都有關(guān)系，例如當聲音在空氣中傳播時，空氣溫度的變化也會導致聲速發(fā)生改變. 本文在探究聲速與空氣溫度的關(guān)系方面也做了一些嘗試，通過利用空調(diào)來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，并采用溫度傳感器測量實驗環(huán)境的溫度.

在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)當溫度(T)逐漸變化時，測得的時間差并沒有按預(yù)計的那樣逐漸變化. 經(jīng)過分析，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于DIS系統(tǒng)的采樣頻率. 由于DIS系統(tǒng)的采樣頻率為20 kHz，即采樣周期為5×10-5s. 在測量過程中當溫度改變時，聲速會隨之發(fā)生變化，理論上時間差也會發(fā)生變化，但是如果因聲速變化導致時間差的變化小于1個采樣周期，DIS系統(tǒng)無法分辨出這種變化，在波形圖上則表現(xiàn)為不同溫度下測得的時間差幾乎一致. 所以當傳感器距離一定時，只有溫度變化幅度足夠大，聲速變化幅度足夠大時，傳感器測得時間差才會發(fā)生比較明顯的改變.

通過進一步探究發(fā)現(xiàn)，當2個傳感器距離d=120 cm,溫度從21.0 ℃上升至29.5 ℃時，時間差出現(xiàn)了明顯且穩(wěn)定的變化，實驗數(shù)據(jù)如表2所示. 可以看出，在29.5 ℃下的聲速明顯大于21.0 ℃下的聲速.

表2 不同溫度下聲速測量數(shù)據(jù)(第1個波峰時刻)

由于儀器性能的限制，目前僅初步定性的探究聲速與溫度的關(guān)系，但是該實驗仍然可以作為引導學生認識聲速的探究型實驗. 學生通過擴大溫差、增加傳感器之間的距離等手段可以得到更加顯著的效果. 除此之外，還可以設(shè)計實驗比較聲音在固體、液體等不同介質(zhì)中傳播速度的差異.

3 結(jié)束語

借助DIS技術(shù)設(shè)計了聲速測量演示實驗，旨在由淺入深地引導學生進行實驗探究，使學生對聲速有直觀、感性的認識. 該實驗操作簡便，實驗效果穩(wěn)定可靠，可以讓學生從定性和定量的角度來認識聲速. 后續(xù)還可以進一步探究聲音在不同媒質(zhì)中的傳播快慢. 教師可以根據(jù)實際情況選用相關(guān)實驗以充實課堂教學.