测量气体中的声速.doc

实验四 测量气体中的声速【实验目的】1. 测量室温下空气中的声速，确定有效距离S。2. 测量二氧化碳中的声速。3. 测量氦氖中的声速。4. 比较在不同气体中的声速。【实验原理】在气体中速度c 有下列关系： （K：体积模量，：密度）因为声波里压强的变化是绝热的，体积模量为 （p:压强，：绝热指数）因此，对于声速c ，我们能说 （）对于理想气体，有下列关系： （：气体热容量） （）在这个实验中我们测量空气中声音脉冲的传播速度，因为群速和相速是一致的，所以这就是声速。声音的脉冲是由扬声器的膜的摇晃产生的；这种运动引起空气中压强的变化。声音脉冲是通过与扬声器一个指定距离的麦克风接收记录的。要测量声速c ，我们要测量扬声器产生脉冲与麦克风记录脉冲的时间差t 。因为扬声器产生脉冲的确切的原始点难以直接测得，所以要用两次测量法，一次麦克风放在S1点，另一次放在S2点。根据公式 （）通过这个公式我们能计算出有效的测量距离s ，这个数值考虑了精确的开始和结束时间。 （）在声音速度仪中，通过塑料管实现的屏蔽测量装置使外界因素的干扰降到最低。另外，这使我们能通过更换不同的气体测量各气体中的声速。【实验装置】声音速度仪、扬声器、多功能麦克风、光盘（测量与计算）、变压器（12V,3.5A）、直流电源（约5V）、电池盒、基座（2个）、金属直尺、电脑（DOS3.3或更高）、温度感应器（镍铬镍）、有一个输入端的数字温度计、线圈、硅树脂管（1个）、调节阀门（1个）、二氧化碳、氦、氖压缩罐（各1瓶）【仪器连接】1. 在管盖处的塞钉连接加热器与塑料管，并将扬声器放在另一端使管密封。2. 将麦克风从盖（a）中间的洞插进去约1cm，并与塑料管成一直线，使之移动时仍与管保持平行。将麦克风的波形打到方波处（如上图所示），并打开。3. 插上时间盒与温度盒的电源，并将电路如上图所示连接；将电池正极连接到扬声器的黑孔上，负极经过继电器接扬声器的黄孔（如果接反了，实验结果与实际不符，因为开始时间与结束时间换了）。【实验内容及步骤】开启CASSY的“Measuring and Evaluating”，选择“Stop clock”模块，并用主菜单指向“Select time/edges”，进入下面的设置，并按“Enter”确定：1. 点击“Measure total time t”,这使软件转向“Measure edge time dt”.2. “Select edge time range”:“Time measurement in ms”3. “Start/stop edges”“Start at E”“Negative edge at E”“Stop at E/F”,“Negative edge at F”.a) 在室温下测量注意：为使实验数据更精确，在每个传播时间要重复多测几次。 在“Stop clock”板块建立一个容易读的实验记录，定义位置参数，符号为S,单位cm 。 按F1切换到测量屏面。 按F1开始传播时间为t1的实验，输入麦克风的位置作为参数，按结束实验来使扬声器重新启动。 将麦克风移到S2的位置，从金属直尺上读出 按F1开始传播时间为t2的实验，输入参数，并按结束实验。 保存实验数据。b) 测量二氧化碳中的声速注意：为避免因疏忽导致气体泄漏，在把阀门装到压缩罐前，将调节阀的阀轮（d）尽量向右旋转。 转动塑料管使软管螺纹接套正好处于一垂直线上。 将调节阀拧到装二氧化碳的压缩罐上。 用硅树脂管连接调节阀和塑料管的底部的软管螺纹接套（b）（这确保了几乎彻底的气体交换，因为流入的二氧化碳替代了从顶部软管螺纹接套流出的更轻的空气）。 将麦克风的位置退回s1，按F1切换到测量的屏幕。 通过测量在空气中传播时间t1 ，来确定麦克风的位置。若不正确要再次调整。 将二氧化碳装入塑料管。小心地打开调节阀直到你能听到气体从罐中流出。 经过一次试测后，往塑料管中装更多地二氧化碳直到气体基本被彻底更换。 按F1多次来测量传播时间t 。 保存你的测量数据。c) 估算氦、氖中地声速注意：为避免因疏忽导致气体泄漏，在把阀门装到压缩罐前，将调节阀的阀轮（d）尽量向右旋转。 将调节阀拧到装氦的压缩罐上。 用硅树脂管连接调节阀和塑料管的顶部的软管螺纹接套（c）（这确保了几乎彻底的气体交换，因为流入的氦替代了从底部软管螺纹接套流出的更重的空气）。 将麦克风的位置退回s1，通过测量在空气中传播时间t1 ，来确定麦克风的位置。若不正确要再次调整。 将氦装入塑料管。小心地打开调节阀直到你能听到气体从罐中流出。 经过一次试测后，往塑料管中装更多地氦直到气体基本被彻底更换。 按F1多次来测量传播时间t 。 保存你的测量数据。 用氖做媒质重复测量步骤。【注意事项】1. 因为气体罐是被压缩的，所以要通过调节阀使用气体；避免气体罐直接接触太阳以及至于高于50的温度；不要用压力打开罐；只有当罐彻底空了之后才能处理；罐严禁被重新使用。2. 气体的泄漏会导致测量结果的错误，因此扬声器要紧紧地贴着塑料管。3. 因为不能确保绝对密封，因此测量过程要快速，尤其是使用氦氖时。【测量结果示例】a) 测量空气中的声速：n：测量次数，s：麦克风的位置，dt：传播时间t表1 n s (cm) dt (ms)140.01.26240.01.26340.01.26440.01.26540.01.26620.00.68720.00.68820.00.68920.00.681020.00.68b) 测量气体中的声速n：测量次数，dt：传播时间t表2Gasndt(ms)11.5221.5231.5241.5251.5210.5320.5330.5340.5350.5311.1321.1331.1341.1351.13【数据处理】a) 空气中声速的测量：求平均值：，路径差，我们得到：将计算所得的声速c及传播时间t1代入公式（），我们得到有效路程b) 二氧化碳中声速的测量：求平均值：，根据公式（）我们得到声速：理论值：c) 氦氖中声速的测量：求平均值：，根据公式（）我们能计算得到声速理论值：系统的测量结果偏向空气中的声速是因为塑料管中残留有空气。d) 比较测得的声速表3：测量结果的总结及所用气体的性质Gask1.291.980.71286(air)1.401.250.89345Ne1.640.901.05384He