声速测量演示实验的设计

杨文健,何慧颖,熊举峰

(湖南师范大学 物理与电子科学学院，湖南 长沙 410081)

声速是初中物理的重要内容和知识点，不同版本教科书对判断声速的大小都有所介绍，苏科版物理教科书中使用鸣枪法来测量声速(图1)，但这种方法的实验效果受实验人员反应速度的影响较大. 也有其他的声速测量方案，例如基于共鸣法利用手机软件测量声速[1]，利用手机软件采集共鸣管中声音的基频并结合声驻波原理计算声速[2]，利用手机测量双开口吸管中驻波的频率从而计算出声速[3]. 但是以上方案的实验原理都涉及到驻波相关理论，初中生较难理解.

图1 教材对声速的探究

根据初中生的认知水平利用声波传感器设计了测量声速的演示实验，让学生从定性和定量的角度认识声音，该实验操作简单，实验现象清晰、直观，适合用于初中物理实验教学.

1 实验原理

本实验利用时差法测量声速. 将2个声波传感器放置于不同位置处，用于接收声源发出的声音. 利用DIS系统可以将2个传感器所接收到的声音信号以波形图的形式显示出来，再通过观察这2个波形图可以计算出声音传播至2个不同传感器的时间间隔Δt，然后测量出2个声波传感器之间的距离d,根据v=d/Δt即可计算出声速.

2 实验设计

实验包括3部分：

1)定性演示声速的存在，让学生意识到声音的传播需要一定的时间；

2)定量测量声速的大小，深化学生对声速的认识；

3)研究声速与其影响因素的关系，进一步锻炼学生的探究能力.

2.1 定性演示声速

通过对比法定性演示声音的传播需要一定时间. 让2个声波传感器与声源(音叉)距离相同，比较2个传感器接收到的声音信号波形图.

实验过程及现象：

1)将2个声波传感器并排放置，音叉正对着2个传感器的中心位置，再将2个传感器通过数据采集器连接到电脑，如图2(a)所示.

(a) 实验装置

2)打开DIS系统，在软件界面点击开始，然后敲击音叉，再点击停止，得到声波图像. 为了便于比较，可以在2个通道的图像窗口设置相同的横轴坐标范围，再适当调整纵轴坐标，得到如图2(b)所示的波形图. 发现2个传感器并排放置时，波形起振时刻一致，说明声音传到2个传感器的时刻相等.

3)将2个传感器分开一定距离，同样将声源放置在传感器所处的直线上，如图3(a)所示. 重复步骤2)，可以得到如图3(b)所示的波形图. 发现当2个传感器分开一定距离后，它们的波形起振时刻存在明显的差别，距离声源较近的传感器更早地检测到声波.

(a)实验装置

在教学过程中，还可以交换2个传感器的位置，让学生观察靠近声源的传感器总是更先接收到声波，也可以通过改变传感器之间的距离发现2个传感器之间的距离越大，其波形间隔越大的现象. 在该实验的基础上，教师可以引入声速的概念，并且启发学生思考如何利用现有条件测量声速.

2.2 定量测量声速

通过测量2个声波传感器之间的距离d和声音经过这段距离所需要的时间Δt，可定量计算出声速的大小. 在实验过程中，为了便于对齐2个传感器并测量它们之间的距离，可以将传感器固定在平直轨道上.

实验过程：

1)将2个声波传感器固定在平直轨道上，并将声源放置于传感器所处的直线上，如图4(a)所示，记录传感器之间的距离d.

(a)实验装置

3)改变2个传感器之间的距离d，重复步骤2)，进行多次测量.

表1 不同距离声速测量实验数据(第1个波峰时刻)

2.3 探究影响声速的因素

在不同版本的教科书中都有提及，声速的大小与媒质的性质和状态都有关系，例如当声音在空气中传播时，空气温度的变化也会导致声速发生改变. 本文在探究声速与空气温度的关系方面也做了一些尝试，通过利用空调来调节室内温度，并采用温度传感器测量实验环境的温度.

在实验过程中，发现当温度(T)逐渐变化时，测得的时间差并没有按预计的那样逐渐变化. 经过分析，出现该现象的原因在于DIS系统的采样频率. 由于DIS系统的采样频率为20 kHz，即采样周期为5×10-5s. 在测量过程中当温度改变时，声速会随之发生变化，理论上时间差也会发生变化，但是如果因声速变化导致时间差的变化小于1个采样周期，DIS系统无法分辨出这种变化，在波形图上则表现为不同温度下测得的时间差几乎一致. 所以当传感器距离一定时，只有温度变化幅度足够大，声速变化幅度足够大时，传感器测得时间差才会发生比较明显的改变.

通过进一步探究发现，当2个传感器距离d=120 cm,温度从21.0 ℃上升至29.5 ℃时，时间差出现了明显且稳定的变化，实验数据如表2所示. 可以看出，在29.5 ℃下的声速明显大于21.0 ℃下的声速.

表2 不同温度下声速测量数据(第1个波峰时刻)

由于仪器性能的限制，目前仅初步定性的探究声速与温度的关系，但是该实验仍然可以作为引导学生认识声速的探究型实验. 学生通过扩大温差、增加传感器之间的距离等手段可以得到更加显著的效果. 除此之外，还可以设计实验比较声音在固体、液体等不同介质中传播速度的差异.

3 结束语

借助DIS技术设计了声速测量演示实验，旨在由浅入深地引导学生进行实验探究，使学生对声速有直观、感性的认识. 该实验操作简便，实验效果稳定可靠，可以让学生从定性和定量的角度来认识声速. 后续还可以进一步探究声音在不同媒质中的传播快慢. 教师可以根据实际情况选用相关实验以充实课堂教学.