自制教具测声速，本文主要内容关键词为：声速论文,教具论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
以往的声速测定实验，所用仪器较多，操作也复杂，因而许多中学未能开设这个实验.为全面推进素质教育的需要，笔者利用身边废弃物自制教具，并成功地测出声音在空气中传播的速度，现介绍如下.
1 所用器材及仪器组装
1.1所用器材
频率不同的音叉2支、废日光灯管、橡皮管、大号可乐瓶、支架台、橡皮锤、温度计、卷尺.
1.2仪器组装
首先截去废日光灯管两端，使截得的灯管长度约为100cm，并用水清洗灯管内壁；将灯管的一端塞上有中孔的软木塞（或橡皮塞），并在木塞中部小孔中插入一比小孔稍大的小玻璃管（小玻璃管比小孔稍大是为了插入小孔后不松动，防漏水）；将废弃医用橡皮管（约120cm）的一端套在露在木塞外的小玻璃管上，另一端连至截去底部的可乐瓶口；将毫米分度的卷尺端钩钩住灯管开口一端，并沿灯管拉伸卷尺至另一端，用透明胶带将拉伸的卷尺固定在灯管上；在灯管上套上2根橡皮筋带，用铁夹夹住灯管（注意垫软布）并使灯管铅直地固定在铁架台上；在去底的可乐瓶中缓缓注入适量的清水，这样灯管和可乐瓶为一连通器，调节可乐瓶高低即可调节灯管内水位的高低.如图1所示，在灯管口上方约2～3cm处安装音叉，并使音叉振动方向正对管内水面.
2 实验原理
两列同振幅的相干波沿相反方向传播叠加时生成驻波.在图1中，音叉振动产生的声波，从灯管口向管内传播，到达水面时被水面反射而返回.由于射向水面的入射声波与被水面反射的声波相遇时符合形成驻波的条件，便在管内叠加而形成驻波.因为空气密度小于水的密度，声波在水面处反射有半波损失，故形成的驻波在管内水面处为波节.从水面沿管向上，波节、波腹等距离地交互排列.如某一波腹的位置正好在管口，则音叉便和空气柱发生共振，从而使音叉发出的声音特别大，此时音叉的振动频率正好等于管内空气柱的振动频率.或者，只要听到音叉声音最大，就一定有一波腹位于管口.
由驻波特性知，相邻波节和波腹相距λ/4（λ为波长）.故声音最大时从水面到管口这段空气柱长度的可能值为：λ/4、3λ/4、5λ/4….则音叉声音最大时的条件是：从水面到管口空气柱长度为L[，n]=（2n+1）λ/4，（n=0，1，2，…）.调节可乐瓶高度，使管内的水位逐渐降低，当L[，0]=λ/4时听到第一次音叉声音最大；当L[，1]=3λ/4时听到第二次音叉声音最大；当L[，2]=5λ/4时听到第三次音叉声音最大；…….由于灯管长度有限，一般只能听到2～3次音叉声音最大.由于相邻两次音叉声音最大出现时的空气柱长度之差为λ/2，因而只要测出第一、二次音叉声音最大时空气柱长度L[，0]和L[，1]，即可由λ/2=（L[，1]-L[，0]）求出驻波波长，再由v=λf=2f（L[,1]-L[,0]）算出声音在空气中的传播速度，式中音叉振动频率f为已知.事实上，当音叉声音最大时波腹并不正好位于管口，而是在管口上方音叉处.设管口到音叉距离为△x（安装时大约为2～3cm），则第一、二次音叉声音最大时空气柱长度分别应为L[,0]＇=L[，0]+△x，L[，1]＇=L[，1]+△x，由两式相差得L[，1]＇-L[，0]＇=L[，1]-L[，0]=λ/2.可见实验时只测第一、二次音叉声音最大时空气柱长度（水面到管口的长度）L[，0]和L[，1]，不影响相邻两次音叉声音最大时空气柱长度之差（λ/2），这为准确测量带来了方便.
3 实验方法
（1）按图1组装好仪器，用橡皮锤轻击音叉，使音叉振动起来，并缓慢下降可乐瓶，使灯管内的水面跟着下降，直到第一次听到音叉声音最大时，立即用套在灯管上的橡皮筋来标记这一水位.缓慢升降可乐瓶，使管内水面在这个位置附近升降，寻找你认为声音最大时的水面位置L[，0]，由固定在灯管上的卷尺读出L[，0]的数值并记录.重复实验5次，分别记下L[，0]的值，求出L[，0]的5次实验平均值.
（2）使水面继续下降，照（1）的方法找出第二次音叉声音最大时的L[，1]值，并求出L[，1]的5次实验平均值.
（3）记下室温和音叉的频率.
（4）将实验测得值和记录的数据填入表1中，根据这些数据算出声音在空气中的平均速度，并与实验环境温度下声速的公认值作比较，计算出相对误差.
表1 12℃室温下的实验数据
4 实验数据及其处理
在t℃时声速在空气中的速度公认值为
v[,t]=（331.45+0.6t）m/s
故当t=12℃时，由上式算得v[，12]=338.7m/s
5 几点思考
（1）从以上计算结果看，实验误差较小，所以该实验是成功的.
（2）由以上数据处理知，尽管两个音叉的振动频率相差较大，但由它们产生的声波在空气中传播速度的实验值差别很小，而此差异系实验误差引起的，从而验证了声速与声源的振动频率无关.
（3）此实验可用来测定声波波长，如前所述，只要测出音叉第一、二次声音最大时的空气柱长度L[，0]和L[，1]，即可由L[，1]-L[，0]=λ/2求出声波波长λ.
（4）此实验可用于测定音叉的颠率.由（3）求出声波波长，再由v[,t]=（331.45+0，6t）m/s算出该温度下公认的声速，使可由v=2f（L[,1]-L[,0]）算出实验时所用音叉的频率.
总之，本实验所用器材大多成本低，简单易做，效果理想.既增强了师生的动手能力，又拓宽了实验教学的新思路.
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