声速测定 主讲人：王茂香 大家好，今天我为大家介绍声速测定实验。

物理概念：纵波 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的弹性机械波，属于纵波。声速是描述声波在介质中传播特性的一个基本物理量，声波在介质中的传播速度与介质的特性及环境状态等因素有关。 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的弹性机械波，属于纵波。声速是描述声波在介质中传播特性的一个基本物理量，声波在介质中的传播速度与介质的特性及环境状态等因素有关。

在同一介质中，声速基本与频率无关。例如在空气中，频率从20Hz变换到80000Hz，声速变化不到万分之二。 物理概念：声波 次声波（f<20Hz） 声波根据频率划分为三类： 可闻波（20Hz<f<20000Hz） 超声波（f>20000Hz） 在同一介质中，声速基本与频率无关。例如在空气中，频率从20Hz变换到80000Hz，声速变化不到万分之二。

实 验 背 景 1、声速测量的意义： 2、超声波的特点及应用： 通过介质中声速的测定，可以了解介质的特性或环境状态的变化， 这在现在检测中应用非常广泛。 例如，测量氯气、蔗糖溶液的浓度，以及在石油工业中测量输油管中 不同油品的分界面等等，都可以测定这些物质中的声速来解决。可见，声 速测定在工业生产上具有一定的实用意义。 2、超声波的特点及应用： 抗干扰性强、易于定向发射、传播能量大…… 超声检测、超声探伤、超声清洗、超声诊断…… 旋光现象是1811年法国科学家阿拉果在石英晶体中发现的。随后，比奥(法国物理学家、大地测量学家和天文学家）在一些蒸汽和液态物质中也观察到了这一现象。 1822年赫谢尔（天文学家）发现左旋和右旋与旋光物质的结构有关。 The rotation of the orientation of linearly polarized light was first observed in 1811 in quartz by French physicist François Jean Dominique Arago. Around this same time, Jean Baptiste Biot also observed the effect in liquids and gases of organic substances such as turpentine. In 1822, the English astronomer Sir Joun F.W. Herschel discovered that different crystal forms of quartz rotated the linear polarization in different directions.

实 验 背 景 超声探伤 声纳 医学B超 超声清洗 这里介绍旋光效应的典型应用两例。 一是在医学中的应用。研究发现除少数个例，组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸。同时，所有天然来源的糖类都是右旋型，生物体所使用的核糖和葡萄糖也都是右旋的。人工可以合成出左旋的葡萄糖，但对于生物体就毫无作用。另外，人体对左旋药物和右旋药物的吸收和作用机理都是不一样的。对于现在的医药公司来说，每生产一种药物，最好要把另一半分离出来。如已经用于临床的降血压“左旋氨氯地平”，治疗甲减的“左旋甲状腺素”，抗菌的“左旋氧佛沙星”等。 二是在制糖等工业中的应用。旋光仪是测定物质旋光度的仪器。通过对样品旋光度的测定，可以确定物质的浓度、纯度、糖度或含量。旋光仪已广泛应用于制糖，制药，药检，食品，香料，味精以及化工，石油等工业生产，科研，教学部门，作化验分析或过程质量控制。

通过本次实验，我们需要达到两个实验目的：1、了解旋光仪原理并掌握其使用方法；2.用旋光仪测量糖溶液的旋光率和浓度。 实 验 目 的 1、了解超声换能器的工作原理和功能； 2、学习不同方法测定声速的原理和技术； 3、熟悉声速测定仪和示波器的调节和使用； 4、测定声波在空气中的传播速度。 通过本次实验，我们需要达到两个实验目的：1、了解旋光仪原理并掌握其使用方法；2.用旋光仪测量糖溶液的旋光率和浓度。

实 验 仪 器 超声接收 信号源 超声发射 超声实验装置 示波器 频率调节

空气中的声速大小与空气的成分、湿度、温度等有关。 实 验 原 理 1、空气中的声速理论计算 空气中的声速大小与空气的成分、湿度、温度等有关。 γ-绝热系数，R-摩尔气体常数，M-空气分子的摩尔质量，T-绝对温度 理想气体中声速 温度是影响空气中声速的主要因素，如果只考虑温度，公式可简化为： v0为标准状态下，干燥空气中的声速理论值 t为室内的摄氏温度

实 验 原 理 普遍测速方法：时差法——测量位移和时间 声波传播速度为： 该法测声速的缺点：实验条件下， 很小（微秒量级），难以测量精确，误差较大（作为选做内容）。

旋光仪最基础的理论即是旋光度与旋光物质浓度与厚度的关系。 实 验 原 理 本实验测量声速的方法： 根据声速、频率和波长之间的关系为： 驻波法 测量波长的方法 相位比较法 频率由超声换能器的谐振频率来确定，即发射信号最强时，大约37.5KHZ。 旋光仪最基础的理论即是旋光度与旋光物质浓度与厚度的关系。 旋光度Q正比于旋光率、旋光物质浓度和旋光物质的厚度。其中旋光率又称为比旋光度，它取决于旋光物质的性质、入射光的波长以及当前环境的温度。 本实验通过测量糖溶液的旋光度即可计算旋光率或浓度。 压电陶瓷换能器示意图

移动超声接收动子，相邻两次出现最大电压时的游标卡尺的读数之差(⊿L)为声波波长的一半 实 验 原 理 共振干涉（驻波）法测定波长 移动超声接收动子，相邻两次出现最大电压时的游标卡尺的读数之差(⊿L)为声波波长的一半

当接收器与发射器间距变化(⊿L)为半个波长时，发射与接收信号之间的相位差改变π 实 验 原 理 相位比较法测定波长 当接收器与发射器间距变化(⊿L)为半个波长时，发射与接收信号之间的相位差改变π

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Li (mm) Li+10 (mm) λ=(Li+10-Li)/5 (mm) λ平均 (mm) 数据记录与处理 i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Li (mm) Li+10 (mm) λ=(Li+10-Li)/5 (mm) λ平均 (mm) 注意：①记录谐振频率 f＝ ? /KHz ②记录实验室环境温度 t = ? ℃

2. 用误差理论有关公式计算uλ， 得出λ= λ平均± uλ 3. 计算声速V平均和声速不确定度uv，得出 V=V平均±uV ， 数据记录与处理 1. 用逐差法计算λ平均 2. 用误差理论有关公式计算uλ， 得出λ= λ平均± uλ 3. 计算声速V平均和声速不确定度uv，得出 V=V平均±uV ， 4. 计算声速理论值V 理，并求出相对百分误差E

1.选定测量基准面后仪器的初始读数有可能不正好为0.00度； 2.糖溶液试管需要轻拿轻放。 实验注意事项 从超声换能器间距6cm后开始测量 本次实验需要注意以下两点： 1.选定测量基准面后仪器的初始读数有可能不正好为0.00度； 2.糖溶液试管需要轻拿轻放。

课后请同学们思考这两个问题，并将思考结果写在报告册上。 思考题 1. 如何测量液体、固体中的声速？ 2. 用相位比较法测量时，为什么选择李萨如图为直线的时候？ 课后请同学们思考这两个问题，并将思考结果写在报告册上。

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