求研究性学习课题

看声波的方法及其研究

一、研究动机
在做声波实验时，只听见声音，看不见声波，俗语说:百闻不如 一见，我想如果能用看的来配合听的更能使我们容易了解声波。
二、研究目的
(一)能看见声波，测量波长，决定声波的速度，证明声波是一种纵波 ，仍有反射及干射的现象。
(二)从波长的差异，验证在不同温度下有不同的声波速度。

三、研究设备器材
(一)反射式主测管：
1.构造:
2.说明：
1)冷热水槽：铁制与主测管(2)焊成一体，内可装不同温的水或冰加食塭。
2)主测管：铁或PVO制，内直径分为3.73cm，273cm，l.5cm 等四组，长度分为58cm，85cm，100cm，130cm下侧，每隔 1.5cm胶粘支管(4)。左侧接电动剌叭，右侧以橡皮塞封闭。
3)温度计：50°c~-50°c及11O°C~-110°c 两支测定主测管内之气体温度。
4)支管：透明吸管制，上端胶接于主测管，下端插入水中。
5)下水槽：透明压克力制，长50.1cm，宽10cm，高10cm。
6)水：以透明为佳。
7)电动喇叭：l6欧姆,35w (或16欧姆，60w)。
(二)电路：
1.电路:信号发生器+功放
2.说明：
8)振荡器:其频率可从0~20OKHZ内中自20~3500Hz部份即为时常所听见的声频，可发出正弦波及方形波。
9)放大器:100w电力放大器，由于输出太大，所以必须把喇叭串联适当的电阻线(12)，以保护喇叭。
10)示波器:可以显示从MIC(11)传来的声波情形。
11)MIC:可以测知主测管内声波的情形。
12)电阻线:100w电炉线改装。
(三)改装喇叭(略)。
四、实验过程
(一)实验一：
1.实验目的：用我们设计的反射式主测管(2)是否可以看见声波? 而实验结果的波速、频率、波长的关系是否和理论相符合?
2.实验设计：
(1)设备：把图(一)，图(二)的设备组合起来。
(2)控制变因：反射式主测管(2)，闭管，内径3.73cm，长58cm， 室温
(3)改变变因：改变管内的气体温度，观察并记录支管内外水面的变化，进而计算之。

3.操作手续：按照设计把仪器装接妥当后，就可开动振荡器，调整频率，观察各支管内的水面变化。
4.实验结果：
(1)支管内水面的变化
1.))、支管内的水面和水槽水面，在不同的频率下，有三种现象即可能 高于，可能低于，可能就在水槽水平面的上下，由此可证声波可以改变主测管内空气的压力，也足以证明在空气中的声波，的确 是以机械波中的疏密波形态而传播的。至于为何因频率不同而使 内外水面可能高可能低的现象，则完全是因为电动喇叭振动片的机械谐振的结果。又在某一个频率下，在固定的管长中，原波与反射波恰能干涉，形成驻波，而使支管内的水面因压力不同而有 高低的现象。
2))、支管内外与水接触部份，不论内外高低如何?其边缘都比中心水 面高;且当没有声波输入时，支管内外的水面几乎相同，足证图(三)的现象是由声波所引起，而非毛细现象。
3))、如果换用有色水代无色水，就会减少支管内外的水面高低差，但 在单纯的毛细管实验中，其高低差并无显著的改变。再说声波在分散的情形下，能量变小，有色水的比重虽然只改变了少许，分 散的能量却无力表现出来。再者有色水会阻挡视线，不易看清水管水面下降时的情形，所以仍以无色的水来实验比较好。
(2)支管内水面的比较。
5.讨论：
(1)从我们的课本和参考书的有关原理公式：
1))、波速
式一V1(cm/sec)=(33.13土0.6 )X100....
式二V2(cm/sec)=f(次/sec)X (cm/次)....
2))、闭管中的声波如图(五)驻波原理。
图(五) 闭管中的声波情形
3))、因为闭管端为反射，没有振动，所以为N，声源端为振动端，所以为A。所以可以得到一通式:
(X为奇数) 更简单地说，凡相邻两波节N，或相邻两波腹A的距离的2倍，就等于一个波长。
(2)封闭端(左侧)皆为节点，且都在波谷，为何驻波的波谷是节点呢?这个问题，可以用白努利原理来解释。因为实际上空气分子的振动速率，当原来声波的密部(或疏部) 与反射波的密部(或疏部)重垒时，空气分子是处于同相的加强运动，在相同的时间内，所运动的距离较大，速率较快 ，则压力较小，所以形成驻波的波峰现象，也就是腹点A的来源。而当原声波的密部(或疏部)与反射波的疏部(或密部)重垒时，空气分子是处于两个反相运动下，以致相互抵消而停止振动，速率也就最小，则压力相对变大，形成驻波中的波谷现象。
(3)波长与管长L的关系
就L而言，与实际管长57cm都有少量的误差，此误差的原因可能是：
1、喇叭振动膜在振动时的确实位置无法测定，影响管长L 的认定。
2、支管的间隔为1.5cm，所以对波长 的认定，都是有估计成份存在的。

(二)实验二：
1.实验目的:观察内径相同长度不同的管内驻波情形(以下从略)。
(三)实验三：
1.实验目的:观察长度很接近内径不同的管内驻波情形(以下从略)。

五、结论
(一)声音在空气中确实是疏密波，可由本实验的驻波情形看见声波疏密的情形。
(二)由本实验可以看见声波的波长以及反射、干涉等波动的性质。
(三)本实验可以证明声波的速度确与温度有关，且证明V=331.3± 0.6 c为正确。

-------------以上为研究报告内容，请参考。

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