空气中声速测量方法的改进

　　摘 要: 本文介绍了一种利用摩托车、秒表和卷尺测量空气中声速的新型实验方案,该方案原理简单,器材易得,操作可行性高,且实际测量结果较准确,适合初中生使用。
　　关键词: 空气中声速测量方法 改进 注意点 优点
　　
　　一、常见空气中声速测量方法
　　声速的测量通常有两类方法:一种方法是测量声波传播的距离s和时间t,然后根据公式v=s/t计算出声速;另一种方法是测量声波的频率f和波长λ,然后根据公式v=λf计算出声速。
　　前一种方法只需要长度测量工具刻度尺和时间测量工具秒表,后一种方法则需要声速测量仪、示波器、信号发生器等专业工具,且后期的分析处理较为复杂。所以在初中物理学中声速的具体测量方案都是基于前一种方法设计的。教材中普遍使用了发令枪测声速,即一名同学持发令枪在起点发令,另一名同学在终点测出看到发令枪冒烟和听到枪声间的时间间隔t,再根据公式v=s/t算出空气中声速。
　　在实际教学中,我们基于前一种测量原理,进行了各种声速测量尝试,找到一种较为准确且简单的测量方法:利用摩托车测量法。
　　二、改进后的空气中声速测量方法
　　1.实验原理
　　v=s/t。
　　2.实验器材
　　摩托车(豪爵海王星)、卷尺、秒表(电子式)。
　　3.实验方案
　　首先用卷尺测出合适的直线距离s,在该直线距离的起点放置一辆摩托车,并将摩托车头部正对直线距离终点的同学乙,起点同学甲使得摩托车喇叭和头部车大灯(头灯)同时工作,终点的乙同学自看到摩托车车灯亮起时开始用秒表计时,待听到摩托车喇叭声时停止计时,所测时间即为声音在直线距离s中传播所用时间t,再根据v=s/t计算出空气中的声速。
　　为了解决传统发令枪测声速中距离难把握的问题,我们在实验中采取从声源(摩托车喇叭)逐渐远离的方法进行了对比,在确保能较清晰地听到声源发出声音的前提下,通过多次比较发现距离在600m左右为最佳,大大减小了人的反应时间对测量结果的影响。
　　4.实验数据及处理
　　在多次对比实验的基础上了最终确定了直线距离为s=612m,并测量出了18组数据。根据公式v=s/t我们分别算出18次实验中的声速,如表1所示。
　　根据多次测量取平均的方法,根据18次所测得声速求得所测声速为v=327.8m/s。
　　同学甲将起点摩托车移至终点位置,而乙同学移至起点,重复实验,再测出18数据。根据公式v=s/t,我们分别算出了18次实验中的声速,如表2所示。
　　根据多次测量取平均的方法,根据18次所测得的声速可求得所测声速为v=321.5m/s。
　　5.实验思考
　　为什么两次实验结果有较大的差异?
　　分析:测量中所选择的直线距离沿着南北方向,两次声源和测量者的位置正好相反,前18组数据是顺风测量的,而后18组数据是逆风测量(风向为西北风),风速影响了声速。
　　三、实验注意点
　　综合多次实际测量操作,在具体实验时我们需要注意以下几点。
　　1.所选摩托车的车头大灯亮度较亮,摩托车喇叭声音较响。
　　2.所测直线距离要适中,对于豪爵海王星踏板摩托车距离600m左右较为合适。不同型号摩托车的喇叭响度不同,在实际实验中可采取从声源处逐渐远离的方法寻求最佳距离。
　　3.为保证车灯和喇叭同时工作,先将车灯开关打开,同时左手长按喇叭按钮,右手通过拨动钥匙来使得摩托车电路接通,使得车灯和喇叭同时通电而同时工作。
　　4.尽量选择无风或风速较小时进行实验,以减小风速对声速的影响。
　　5.为防止环境噪声的影响,可选择晚上进行实验,而且可增加对车灯的可视度,提高实验的精确度。
　　6.在具体实验前,甲乙同学应进行多次练习,熟练配合,实验时应该进行多次实验,确保实验测量的准确性。
　　四、实验方案优点
　　该方案原理简单,所用器材简单常见,无需专业测量仪器,操作简单,可行性较强,适宜所有中学使用。更重要的是在夜晚漆黑安静环境中操作实验,摩托车车灯的视觉效果和摩托车喇叭声音的听觉效果较好,实验中声音传播距离较长,最大限度地减小人的反应时间的影响,测量结果较精确。
　　
　　参考文献:
　　[1]中华人民共和国教育部.全日制义务教育物理课程标准[S].北京:北京师范大学出版社,2001.
　　[2]安忠.中学物理实验教学研究[M].北京:高等教育出版社,1986.
　　[3]刘炳生,冯容士.中学物理实验教学与自制教具[M].上海:上海教育出版社,2000.