楊文健,何慧穎,熊舉峰

(湖南師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081)

聲速是初中物理的重要內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)，不同版本教科書對(duì)判斷聲速的大小都有所介紹，蘇科版物理教科書中使用鳴槍法來(lái)測(cè)量聲速(圖1)，但這種方法的實(shí)驗(yàn)效果受實(shí)驗(yàn)人員反應(yīng)速度的影響較大. 也有其他的聲速測(cè)量方案，例如基于共鳴法利用手機(jī)軟件測(cè)量聲速[1]，利用手機(jī)軟件采集共鳴管中聲音的基頻并結(jié)合聲駐波原理計(jì)算聲速[2]，利用手機(jī)測(cè)量雙開口吸管中駐波的頻率從而計(jì)算出聲速[3]. 但是以上方案的實(shí)驗(yàn)原理都涉及到駐波相關(guān)理論，初中生較難理解.

圖1 教材對(duì)聲速的探究

根據(jù)初中生的認(rèn)知水平利用聲波傳感器設(shè)計(jì)了測(cè)量聲速的演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生從定性和定量的角度認(rèn)識(shí)聲音，該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰、直觀，適合用于初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)利用時(shí)差法測(cè)量聲速. 將2個(gè)聲波傳感器放置于不同位置處，用于接收聲源發(fā)出的聲音. 利用DIS系統(tǒng)可以將2個(gè)傳感器所接收到的聲音信號(hào)以波形圖的形式顯示出來(lái)，再通過(guò)觀察這2個(gè)波形圖可以計(jì)算出聲音傳播至2個(gè)不同傳感器的時(shí)間間隔Δt，然后測(cè)量出2個(gè)聲波傳感器之間的距離d,根據(jù)v=d/Δt即可計(jì)算出聲速.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)包括3部分：

1)定性演示聲速的存在，讓學(xué)生意識(shí)到聲音的傳播需要一定的時(shí)間；

2)定量測(cè)量聲速的大小，深化學(xué)生對(duì)聲速的認(rèn)識(shí)；

3)研究聲速與其影響因素的關(guān)系，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的探究能力.

2.1 定性演示聲速

通過(guò)對(duì)比法定性演示聲音的傳播需要一定時(shí)間. 讓2個(gè)聲波傳感器與聲源(音叉)距離相同，比較2個(gè)傳感器接收到的聲音信號(hào)波形圖.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象：

1)將2個(gè)聲波傳感器并排放置，音叉正對(duì)著2個(gè)傳感器的中心位置，再將2個(gè)傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集器連接到電腦，如圖2(a)所示.

(a) 實(shí)驗(yàn)裝置

2)打開DIS系統(tǒng)，在軟件界面點(diǎn)擊開始，然后敲擊音叉，再點(diǎn)擊停止，得到聲波圖像. 為了便于比較，可以在2個(gè)通道的圖像窗口設(shè)置相同的橫軸坐標(biāo)范圍，再適當(dāng)調(diào)整縱軸坐標(biāo)，得到如圖2(b)所示的波形圖. 發(fā)現(xiàn)2個(gè)傳感器并排放置時(shí)，波形起振時(shí)刻一致，說(shuō)明聲音傳到2個(gè)傳感器的時(shí)刻相等.

3)將2個(gè)傳感器分開一定距離，同樣將聲源放置在傳感器所處的直線上，如圖3(a)所示. 重復(fù)步驟2)，可以得到如圖3(b)所示的波形圖. 發(fā)現(xiàn)當(dāng)2個(gè)傳感器分開一定距離后，它們的波形起振時(shí)刻存在明顯的差別，距離聲源較近的傳感器更早地檢測(cè)到聲波.

(a)實(shí)驗(yàn)裝置

在教學(xué)過(guò)程中，還可以交換2個(gè)傳感器的位置，讓學(xué)生觀察靠近聲源的傳感器總是更先接收到聲波，也可以通過(guò)改變傳感器之間的距離發(fā)現(xiàn)2個(gè)傳感器之間的距離越大，其波形間隔越大的現(xiàn)象. 在該實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師可以引入聲速的概念，并且啟發(fā)學(xué)生思考如何利用現(xiàn)有條件測(cè)量聲速.

2.2 定量測(cè)量聲速

通過(guò)測(cè)量2個(gè)聲波傳感器之間的距離d和聲音經(jīng)過(guò)這段距離所需要的時(shí)間Δt，可定量計(jì)算出聲速的大小. 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了便于對(duì)齊2個(gè)傳感器并測(cè)量它們之間的距離，可以將傳感器固定在平直軌道上.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

1)將2個(gè)聲波傳感器固定在平直軌道上，并將聲源放置于傳感器所處的直線上，如圖4(a)所示，記錄傳感器之間的距離d.

(a)實(shí)驗(yàn)裝置

3)改變2個(gè)傳感器之間的距離d，重復(fù)步驟2)，進(jìn)行多次測(cè)量.

表1 不同距離聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(第1個(gè)波峰時(shí)刻)

2.3 探究影響聲速的因素

在不同版本的教科書中都有提及，聲速的大小與媒質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)都有關(guān)系，例如當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，空氣溫度的變化也會(huì)導(dǎo)致聲速發(fā)生改變. 本文在探究聲速與空氣溫度的關(guān)系方面也做了一些嘗試，通過(guò)利用空調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，并采用溫度傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度.

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度(T)逐漸變化時(shí)，測(cè)得的時(shí)間差并沒(méi)有按預(yù)計(jì)的那樣逐漸變化. 經(jīng)過(guò)分析，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于DIS系統(tǒng)的采樣頻率. 由于DIS系統(tǒng)的采樣頻率為20 kHz，即采樣周期為5×10-5s. 在測(cè)量過(guò)程中當(dāng)溫度改變時(shí)，聲速會(huì)隨之發(fā)生變化，理論上時(shí)間差也會(huì)發(fā)生變化，但是如果因聲速變化導(dǎo)致時(shí)間差的變化小于1個(gè)采樣周期，DIS系統(tǒng)無(wú)法分辨出這種變化，在波形圖上則表現(xiàn)為不同溫度下測(cè)得的時(shí)間差幾乎一致. 所以當(dāng)傳感器距離一定時(shí)，只有溫度變化幅度足夠大，聲速變化幅度足夠大時(shí)，傳感器測(cè)得時(shí)間差才會(huì)發(fā)生比較明顯的改變.

通過(guò)進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2個(gè)傳感器距離d=120 cm,溫度從21.0 ℃上升至29.5 ℃時(shí)，時(shí)間差出現(xiàn)了明顯且穩(wěn)定的變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示. 可以看出，在29.5 ℃下的聲速明顯大于21.0 ℃下的聲速.

表2 不同溫度下聲速測(cè)量數(shù)據(jù)(第1個(gè)波峰時(shí)刻)

由于儀器性能的限制，目前僅初步定性的探究聲速與溫度的關(guān)系，但是該實(shí)驗(yàn)仍然可以作為引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)聲速的探究型實(shí)驗(yàn). 學(xué)生通過(guò)擴(kuò)大溫差、增加傳感器之間的距離等手段可以得到更加顯著的效果. 除此之外，還可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)比較聲音在固體、液體等不同介質(zhì)中傳播速度的差異.

3 結(jié)束語(yǔ)

借助DIS技術(shù)設(shè)計(jì)了聲速測(cè)量演示實(shí)驗(yàn)，旨在由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，使學(xué)生對(duì)聲速有直觀、感性的認(rèn)識(shí). 該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)效果穩(wěn)定可靠，可以讓學(xué)生從定性和定量的角度來(lái)認(rèn)識(shí)聲速. 后續(xù)還可以進(jìn)一步探究聲音在不同媒質(zhì)中的傳播快慢. 教師可以根據(jù)實(shí)際情況選用相關(guān)實(shí)驗(yàn)以充實(shí)課堂教學(xué).