声速测定实验报告

2024-10-27

声速测定实验报告（精选5篇）

声速测定实验报告篇1

实验时间：2019 年

月

日，第批签到序号：

【进入实验室后填写】

福州大学

【实验一】

声速测量

（303 实验室）

学学院

班班级

学学号

姓姓名

实验前必须完成【实验预习部分】

登录下载预习资料

携带学生证提前 10 分钟进实验室

实验预习部分【实验目的】

】

【实验仪器】(名称、规格或型号)

【实验原理】（文字叙述、主要公式、原理图）

实验预习部分【实验内容和步骤】

】

实验预习部分

一、写出示波器以下标号的功能（用中文表述），并复习它们的位置（参本考课本 P148 图图 19-13）：

39（或 11）

25。

二、在下图方框中标出函数信号发生器的四个部位分别对应哪个选项。

Ａ、ＣＨ１Ｂ、ＣＨ１使能Ｃ、ＣＨ２Ｄ、ＣＨ２使能

三、实验中在测量声波波长之前，必须确定系统的。

频率。

动调节方法是：先移动 S1 到距 S2 为为 5 ～10 cm，缓慢调节函数信号发生器频率（在～

kHz 连续调节），观察哪个频率下接收波电压动幅度最大。然后移动 S1，使示波器显示的正弦幅度最大，再细调信号以频率（以 0.01kHz。

为步长调节），直到接收波振幅最大。记下此时频率。

注意：本实验用的声速测定装置动子是发射端，定子是接收端。

于两个换能器之间的距离最好大于 5 cm，严禁将两个换能器接触。

数据记录与处理

【一】

测量系统的谐振频率 f 

k H z

此时换能器间距 L

mm 【二】

用共振干涉法测波长（（v 公 =340.00 m/s）

1L 

mm，11L 

mm， 

声速 v =

百分偏差 B=

【三】用相位比较法测波长

（v 公 =340.00m/s）

数次数 i L i /mm 数次数 i+6 L i+6 m/mm6()/6()i iL L mm+=-()mm 

声速 v =

百分偏差 B=

思考题：用相位法测量波长时，指出本实验用哪两个图形之间的距离：

测量波长：（在正确的图下画√）

进入实验室后，按实验指导老师要求撰写。

实验预习及操作成绩

实验指导教师签字

日期

实验报告成绩

报告批阅教师签字

日期

声速测定实验报告篇2

本实验经过改进, 在PASCO平台上开展, 利用了PASCO平台先进的数据采集和处理系统, 可以实时观察实验现象, 对实验现象进行分析, 解决了记录数据的麻烦;同时使实验结果更加精确, 并且让学生对实验有了更直观的理解。

1 PASCO工作原理

PASCO科学工作室是美国PASCO公司研制的应用计算机对物理量进行实时测量、数据采集及处理的系统工具。PASCO实验系统主要由datastudio软件、科学工作室接口及传感器组成。它的工作原理为:待测物理量的信息通过传感器转换成模拟电压信号或者数字信号输入到科学工作室接口, 再经过接口把信号转换为数字信号后输到计算机里面, 利用datastudio软件进行数据的实时记录、处理, 并显示处理结果。在PASCO平台上, 除了可以对采集到的数据进行处理, 同时还可以对测量过程进行全程监控。

2 实验仪器

半导体激光器、声光衍射仪、科学工作室500型接口及datastudio软件、旋转移动传感器、光传感器、光具座、液槽、换能器、计算机所周知, 声波最显著的特征是它的波动性, 它在盛有液体的玻璃槽中传播时, 液体将被周期性压缩、膨胀, 形成疏密波。声波在传播方向被垂直端面反射, 它又会反向传播。在当玻璃槽的宽度恰当时, 入射波和反射波会叠加形成稳定的驻波, 由于驻波的振幅是单一行波振幅的2倍, 因而驻波加剧了液体的疏密变化程度, 如图2所示。

描述声波有三个特征量:波长λ, 声速V, 频率ν。他们之间满足关系V=λ×ν。一般我们事先知道声波频率ν, 因此求声速实际上是求波长λ。对于疏密波, 波长λ等于相邻两密部的距离。布里渊认为, 一个受超声波扰动的液体很像一个左右摆动的平面光栅, 它的密部就相当于平面光栅上的刻痕, 不易透光;疏部就相当于平面光栅上相邻两刻痕之间的透光部分, 它就是一个液体光栅, 或称超声光栅, 超声波波长λs正是光栅常数d (d=a+b) 。从图3可知, 平面光栅的左右摆动并不影响衍射条纹的位置, 因为各级衍射条纹完全由光栅方程描述, 而不是由光栅位置确定。因此当平行光沿着垂直于超声波传播方向通过受超声波扰动的液体时, 必将发生衍射, 并且可以通过测量衍射条纹的位置来确定超声波波长sλ, 即:

式中k为衍射条纹级数, ϕ为第k级条纹的衍射角, λ为入射平行光波长, sλ为超声波波长。若入射光的波长已知, 则依 (1) 式只要测出sinϕk, 就可以计算出超声波长λs。衍射角的测量可以通过测量第k级明纹到第-k级明纹之间的距离kD以及测得超声光栅到观察屏之间的距离L来确定。当满足L?Dk时, 有

那么, 根据 (1) 式有

所以, 超声波在该液体中的传播速度V为

3 实验内容

3.1 观察声光衍射现象

打开半导体激光器和声光衍射仪电源, 调节换能器的发射平面和反射面平面大致平行 (观察衍射图样清晰度) 。调节入射光垂直于超声光栅, 调节声光衍射仪的频率使衍射图样稳定。

将旋转移动传感器接到数字通道上, 将光传感器接到模拟通道上, 打开PASCO科学工作室接口电源。

打开datastudio软件, 创建新的实验。点击数字通道, 选择转动传感器, 设置位置变量, 设置合适的取样频率。点击模拟通道选择光传感器, 设置光强变量。

用图表显示进行观察, 设置y轴为光强变量, x轴为位置变量。移动“旋转移动传感器”并记录下光强随位置变化分布曲线。

反复调节超声波频率f及入射光角度, 重复上一步, 直到采集到较满意的图样 (光强分布两边对称) 为止。

3.2 测量超声波在水中的传播速度

根据公式V= (k=, 0, 1, 23...) , 频率f可以从声光衍射仪上读出, 光栅到观察屏之间的距离L由光具座上的米尺读出, kD用datastudio软件中x坐标读出, 入射光λ为已知650.0nm。

4 实验结果

实验测的数据及处理如下。

超声波在水中的传播速度为:

5 结语

本实验通过传统实验与现代先进数据采集系统相结合, 具有以下几个优点:用激光代替平行光更加科学合理, 并且可以更加直观的观察到光的衍射现象;实验精度高、数据准确、误差小;可进行动态、实时、连续的数据采集, 对整个实验过程全程监控;改进了数据采集方法, 但仍然保留经典的实验项目、内容与思想。

摘要：介绍如何在PASCO平台下, 利用声光衍射法测定液体中的声速, 充分体现了PASCO科学工作室在实验数据采集和处理方面的优点。

关键词：PASCO,旋转移动传感器,光传感器,声光衍射,datastudio软件

参考文献

[1]集美大学诚毅学院实验管理中心.大学物理实验[M].厦门:厦门大学出版社, 2008.

[2]陈金太.大学物理实验[M].厦门:厦门大学出版社, 2005.

声速测定实验报告篇3

关键词：超声波；驻波；声速；不确定度；数据处理文献标识码：A

中图分类号：O422 文章编号：1009-2374（2015）19-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.012

精确测量液体中的声速对研究液体的物理和化学性质可提供重要的依据。本实验通过超声驻波像来测定

声速。

1 实验原理与仪器

光波在液体介质中传播时被超声衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应），这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。超声波作为一种纵波在液体中传播时，超声波的声压使液体分子产生周期性变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化，形成疏密波。此时如有平行单色光沿垂直超声波方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射，这一作用类似于光栅，所以叫超声光栅。超声波传播时，如入射波被一个平面反射，会反向传播。当满足干涉条件，入射波与反射波形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间的疏密程度，其中振幅最大的位置称为驻波的波腹，振幅为零的位置称为驻波的波节。某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处，半个周期后，相反。在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作用使液体折射率增加，在距离等于波长λ的两点，液体的密度相同，折射率也相等。在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作用使液体折射率增加，在距离等于波长λ的两点，液体的密度相同，折射率也相等。

超声光栅与一维光栅有相似的作用，其光栅常数越小（超声波频率很高）其衍射作用就越明显。当超声波频率比较低（如2兆赫左右，其光栅常数约1条线/mm）时，光的衍射效果可以忽略，直线传播的性质明显，只能显示超声光栅的自身影像，即超声驻波像。利用超声光栅测量液体声速的方法是：在频率已知的条件下测量声波波长λ，然后利用下式计算ν=λf。式中：ν为声速；λ为声波波长；f为声波频率。本实验利用频率较低的超声波建立驻波，且用实验仪器CGS型超声光栅声速仪时利用频率为1710千赫的超声驻波自身像来测定声波的

波长。

2 实验数据

温度15℃时的实验数据如表1所示：

表1

条纹

序数条纹位置

读数值条纹

序数条纹位置

读数值测量距离

波长（mm）

10.004117.2117.210.8605

20.434217.6217.190.8595

30.874318.0617.190.8595

41.294418.5017.210.8605

51.744518.9417.200.8600

62.144619.3617.220.8610

72.564719.7617.200.8600

82.994820.2317.240.8620

平均波长=0.860375

平均声速=1471.24125

2.1 第一种数据处理方法：逐差法

由贝塞尔公式求出测量距离Y的A类标准不确定度，B类标准不确定度为仪器引入的误差值，把A类和B类合成，即：

2.2 第二种数据处理方法：最小二乘法

即，式中斜率是半波长；是条纹序数，可任取一个条纹其序数为1，与其相邻的为2，以此

类推。

令，，，则上式变成了的形式。利用最小二乘法，可得：

3 实验结果分析

在实验中，我们使用的是普通自来水，里面含有大量杂质，这会导致测量结果偏差较大。这个实验是通过共振干涉法测的声速，通过两种数据处理方法得到的声速值所差无几，但结果都比标准值小。普通水在15℃时的标准值为1497m/s，而这个实验的结果为1471m/s，说明用共振干涉法测声速的偏差较大。这是因为用共振法测波长时，需要在光屏上测出相邻条纹的条纹间距，而光屏上所呈的明暗相间的条纹是有宽度的，并且明暗纹相接处界限模糊，因此想找出精确的位置测量条纹间距肯定存在很大误差。声速测量仪是通过转动鼓轮改变液槽的位置，使条纹发生移动，并且鼓轮在转动时只能沿着一个方向旋转。由于条纹有一定宽度，当我们在找最佳位置过程中，可能发现鼓轮转过了，又不能把它旋转过来，因为反复转的过程会产生一个空回误差。测数据这个过程是由实验者操作和仪器特性带来的误差，这种误差不能消除，只可以尽可能地减小。

通过分析不确定度的来源加以印证。

由速度公式可知，速度的不确定度一部分来自波长的不确定度，一部分来自频率的不确定度。波长分量的不确定度为：

=8.989

而频率的不确定度为：

=5.848×10-6

从两个结果可以看出，波长对总不确定度的贡献远远大于频率的贡献。而波长的不确定度主要来自于A类标准不确定度，即测量的数据。因此证实速度的不确定度主要来自于反复测量的数据。

通过两种处理数据方法得到的不确定度我们可以看出，逐差法得出的结果比最小二乘法偏小，准确度相对高些。进一步分析发现，用逐差法求条纹位置的不确定度的结果比用最小二乘法的结果小。在此实验中，我们发现逐差法计算过程比最小二乘法简单容易，且结果略显准确。但不是所有的实验结果都可以用逐差法去做，只有实验满足线性关系式，且为等间距变化时，才可以用逐差法进行数据处理。而最小二乘法只要满足线性关系式就可以，因此最小二乘法的适用条件比逐差法更广泛。

4 其他因素对实验结果的影响

（1）温度引入的误差。声速与温度有关。因此实验的整个过程温度是否保持稳定，测量值是否准确也会影响声速的测量结果。实验过程我们认为用温度计测量出的温度值是准确的，其实也会带来误差值，这就是系统误差。还有整个实验过程我们认为温度值是恒定不变的，其实整个过程也可能会发生变化，实验时间越久，仪器释放热量越多，实验温度也会升高。假如实验过程温度变化了0.5℃，那声速将大约改变2m/s左右；（2）声波在液体中传播时，由能量损失带来的误差。声波在介质中传播时会损失能量，入射波打到发射板会被反射板吸收一部分能量，被反射板反射时会散射一部分能量，入射波和反射波在液体中传播时可能发生了很多次反射，种种因素显示入射波和反射波在干涉时振幅会有些许偏差。因此在换能器之间形成的驻波不是严格意义上的驻波，从而引起微小误差；（3）频率的准确性、稳定性带来的误差。在整个实验过程中，我们认为频率是恒定不变的，为1710兆赫，而实际输出的频率会有偏差，这是系统误差。并且我们认为整个实验过程频率始终保持为1710兆赫，但实际上由于环境影响仪器本身的原因等频率可能是变化的。频率变化就会影响驻波波节波腹出现的位置，就会导致读数器读数的误差；（4）实验条件也会带来误差。由于实验器材比较大，实验者做实验时需要用胳膊支撑身体调节仪器，不可避免地要经常使桌子受到轻微震动，从而影响计数器准确记录

数据。

参考文献

[1] 陈中钧.超声波声速测量实验中的误差分析[J].实验科学与技术，2005，（10）.

[2] 测量不确定评定与表示（JJF 1059-1999）[M].北京：中国计量出版社，2004.

[3] 梁晋文，陈林才，等.误差理论与数据处理[M].北京：中国计量出版社，1996.

[4] 孙晶华，林晓燕.大学物理实验[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2004.

[5] 潘小青.逐差法及其应用探讨[J].大学物理实验，2010，23（2）.

作者简介：佟永丽（1978-），女（满族），辽宁抚顺人，沈阳理工大学讲师，硕士，研究方向：理论物理。

薄透镜焦距测定物理实验报告篇4

课程名称：

大学物理实验

实验名称：

薄透镜焦距的测定

学院：

信息工程学院

专业班级：

学生姓名：

学号：

实验地点：

基础实验大楼

座位号：

实验时间：

第 7 7 周星期 3 3 下午4 点开始

一、实验目的：

1．掌握光路调整的基本方法； 2．学习几种测量薄透镜焦距的实验方法； 3.观察薄凸透镜、凹透镜的成像规律。

二、实验原理：

((一))凸透镜焦距的测定

1.自准法如图所示，在待测透镜 L 的一侧放置一被光源照明的物屏 AB，在另一侧放一平面反射镜 M，移动透镜（或物屏），当物屏 AB 正好位于凸透镜之前的焦平面时，物屏 AB 上任一点发出的光线经透镜折射后，仍会聚在它的焦平面上，即原物屏平面上，形成一个与原物大小相等方向相反的倒立实像

。此时物屏到透镜之间的距离，就是待测透镜的焦距，即

由于这个方法是利用调节实验装置本身使之产生平行光以达到聚焦的目的，所以称之为自准法，该法测量误差在之间。

2.成像法在近轴光线的条件下，薄透镜成像的高斯公式为

当将薄透镜置于空气中时，则焦距为：

式中

为像方焦距，为物方焦距，为像距，为物距。

式中的各线距均从透镜中心（光心）量起，与光线行进方向一致为正，反之为负，如图所示。若在实验中分别测出物距和像距，即可用式求出该透镜的焦距

。但应注意:测得量须添加符号，求得量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。

3.共轭法

共轭法又称为位移法、二次成像法或贝塞尔法。如图所示，使物与屏间的距离

并保持不变，沿光轴方向移动透镜，则必能在像屏上观察到二次成像。设物距为

时，得放大的倒立实像；物距为

时，得缩小的倒立实像，透镜两次成像之间的位移为 d，根据透镜成像公式，可推得：

物像公式法、自准法都因透镜的中心位置不易确定而在测量中引进误差。而共轭法只要在光具座上确定物屏、像屏以及透镜二次成像时其滑块移动的距离，就可较准确地求出焦距

。这种方法无需考虑透镜本身的厚度，测量误差可达到。

操作要领：

粗测凹透镜焦距，方法自拟。

取 D 大于。

调节箭矢中点与透镜共轴，并且应使透镜光轴尽量与光具座导轨平行。往复移动透镜并仔细观察，成像清晰时读数。重复多次取平均值。

（二）凹透镜焦距的测定

成像法（辅助透镜法）

如图所示，先使物 AB 发出的光线经凸透镜

后形成一大小适中的实像，然后在和

之间放入待测凹透镜，就能使虚物

产生一实像

。分别测出

到

和

之间距离、，根据式

即可求出的像方焦距。

三、实验仪器：

光具座、凸透镜、凹透镜、光源、物屏、平面反射镜、水平尺和滤光片等

四、实验内容和步骤：

1.光学系统的共轴调节

共轴调节是光学测量的先决条件，也是减少误差、确保实验成功的重要步骤。所谓“共轴”，是指各光学元件（如光源、物、透镜等）的主光轴重合。由于在光具光具座上进行，所以须使光轴平行于光具座导轨的刻度线。具体调节分两步进行：

a.粗调。将安置于光具座上的各光学元件靠拢在一起，用眼观察，并调节它们的中心使它们处在同一高度，且连线（光轴）平行于导轨。

b.细调。将各光学元件按实验要求移开，利用透镜成像规律进一步调整，移动透镜及屏时，将大小不同的像生成在不同的位置。若这些大小不等的像的中心在屏上的位置重合，则说明系统已共轴；若在移动透镜的过程中，像的中心位置不重合，则应调节透镜的高低或左右位置。2.测凸透镜的焦距

a.用物距像距法测 f 4 次，每次测量应改变物距，分别代入公式（2）求 f，将结果表示成 f f  。

b.用自准法测 f 2 次求平均值，结果以 f f   表示。

c.用位移法测 f 2 次。在同一 D 值下测 d 2 次，以公式（6）分别算出 f，并将结果表示成 f f  。3.测凹透镜的焦距

a.以物距像距法测 2 次，每次改变物距，测像距，分别代入公式（2）求 f，结果以 f f   表示。

注意：在测量凹透镜的焦距时，测得的数据误差往往较大，原因主要有 4 个方面：共轴没有调节好；选凸透镜成的小像作为物；选择物距 u 值没有尽可能的大；没有认真判断像的清晰位置。

五、实验数据与处理：

凸透镜 1、自准法物／mm 透镜／mm 焦距／mm 1094.5 1307.2 212.7 1093.6 1307.8 214.2

所以

2、物像法：

物 B／mm 透镜 O/mm 像 B/mm 透镜 1 1307.2

950.2

444.3

1307.2

851.1

458.1

透镜 2 1307.2

1142.9

1062.1

1307.2

1165.8

1078.9

所以对于凸透镜 1（1，2 代表第 1、2 次实验）:

所以

有

f =f 1 + f 22= 213.45mmS 1,2 = B-O =[357.0456.1]S“ 1,2 = B”-O =[-505.9-393.0]f 1,2 =-f “ 1,2 =S 1,2 ´S” 1,2S 1,2-S“ 1,2=[209.3211.1]f =f 1 + f 22= 210.2mm

对于不确定度：

A 类不确定度：

B 类不确定度：

所以合成不确定度为：

所以焦距 f 最终可表示为

对于凸透镜 2（1，2 代表第 1、2 次实验）:

所以

有

对于不确定度：

A 类不确定度：

B 类不确定度：

所以合成不确定度为：

所以焦距 f 最终可表示为

共轭法：

物 B/mm O1／mm O2／mm 屏 B”／mm 1307.2

954.5

775.2

429.8

DA =(f-f)2i=12å2-1= 0.9mmDB=0.02mmu = DA 2 +DB 2 = 0.9mmf = f ±u = 210.2±0.9mmS 1,2 = B-O =[164.3141.4]S“ 1,2 = B”-O =[-80.8-86.9]f 1,2 =-f “ 1,2 =S 1,2 ´S” 1,2S 1,2-S“ 1,2=[54.253.8]f =f 1 + f 22= 54.0mmDA =(f-f)2i=12å2-1= 0.2mmDB=0.02mmu = DA 2 +DB 2 = 0.2mmf = f ±u = 54.0±0.2mm

1307.2

994.8

638.2

332.9

1307.2

1240.9

919.8

853.8

1307.2

1238.9

984.9

917.9

对于凸透镜 1（1，2 代表第 1、2 次实验）:

所以可以知道

求平均值得

对于不确定度：

A 类不确定度为

B 类不确定度为

所以合成不确定度为：

所以 f 可以表示成对于凸透镜 2（1，2 代表第 1、2 次实验）:

所以

D 1,2 = B”-B =[877.4974.3]d 1,2 =O 2-O 1 =[179.3356.6]f 1,2 =D 2-d 24´ D=[210.2210.9]f =f 1 + f 22= 210.6mmDA =(f-f)2i=12å2-1= 0.4mmDB=0.02mmu = DA 2 +DB 2 = 0.4mmf = f ±u = 210.6±0.4mmD 1,2 = B“-B =[453.4389.3]d 1,2 =O 2-O 1 =[321.1254.0]f 1,2 =D 2-d 24´ D=[56.555.9]

求平均值得

对于不确定度：

A 类不确定度为

B 类不确定度为

所以合成不确定度为：

所以 f 可以表示成：

凹透镜：

单位/mm 物屏 A 凸透镜 O1 凹透镜 O2 像 A” 像 A“" 凹透镜 1 1370.2 844.8 545.8 465.1 171.5 1370.2 844.8 538.2 465.1 273 凹透镜 2 1370.2 844.8 499.9 465.1 333.8 1370.2 844.8 505.2 465.1 234.1 对于凹透镜 1（1，2 代表第 1、2 次实验）:

所以

求平均值得

对于不确定度：

f =f 1 + f 22= 56.2mmDA =(f-f)2i=12å2-1= 0.3mmDB=0.02mmu = DA 2 +DB 2 = 0.3mmf = f ±u = 56.2±0.3mmS 1,2 =O 2 A”=[80.773.1]S“ 1,2 =O 2 A”=[374.3265.2]f 1,2 =SS“S-S”=[-102.9-100.9]f =f 1 + f 22=-101.9mm

A 类不确定度为

B 类不确定度为

所以合成不确定度为：

所以 f 可以表示成：

对于凹透镜 2（1，2 代表第 1、2 次实验）:

所以

求平均值得

对于不确定度：

A 类不确定度为

B 类不确定度为

所以合成不确定度为：

所以 f 可以表示成：

六、误差分析：

1、地面的不完全水平导致光具座的不同程度的倾斜，从而在实验过程中影响各光学元件的同轴等DA =(f-f)2i=12å2-1=1.0mmDB=0.02mmu = DA 2 +DB 2 =1.0mmf =-101.9∓1.0mmS 1,2 =O 2 A“=[34.840.1]S” 1,2 =O 2 A“=[166.1271.1]f 1,2 =SS”S-S“=[-44.0-47.1]f =f 1 + f 22=-45.5mmDA =(f-f)2i=12å2-1=1.5mmDB=0.02mmu = DA 2 +DB 2 =1.0mmf =-45.5∓1.5mm

高操作； 2、因为使用过于频繁而保存不当，光具座上或多或少出现锈迹影响读数，导致实验数据有误； 3、长时间的使用和多人操作使得各透镜表面及边缘或有不同程度的磨损，从而引起透镜焦距的改变，使得实验所得数据与仪器原始数据有所相差； 4、实验重复次数过少，实验的偶然性较大，多重复几次实验求平均值更好。

5、由于场地及实验仪器的限制，使得实验中某些移动略微不便，结果是不能得到更多更完备的实验数据，间接影响最终结果；

七、思考题：

1．利用 f=(D*D-d*d)/4D 测量凸透镜焦距有什么好处？答：涉及测量量少，减少误差。

2.试证明，共轭法中，物与屏间的距离。

由公式

得 D(D-4f)=，又因为 D>0,所以。