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波长测量的探究与仪器研制

作者：郭本矿

来源：《发明与创新(学生版)》2009年第03期

一、问题的提出：

全日制普通高级中学教科书(必修加选修)物理第二册第52页，有一个利用空气柱测声波波长的实验：在盛有水的容器中插入一根两端开口的粗玻璃管，玻璃管上端放一正在发音的音叉，然后慢慢向上一同提玻管与音叉，当管内空气柱达到一定长度时，可以听到较强的声音，这时，从音叉发出进入玻管的声波和经水面反射回来的反射波相叠加，在空气柱内产生驻波。玻璃管开口处为波腹，水面处为波节，空气柱的长度为声波的1/4λ，如下图。

但在做这项实验时需一个人拿着管子上提，另一个人不断敲击音叉，两人配合默契才能完成。而且实验过程中声源不稳定，玻璃管所提高度受限制，不能定量测量声波波长，实验效果也不太明显。为了解决上述问题，我对书上的装置加以研究并进行了如下改进：

实验探究：

目的：用实验室器材探究空气驻波现象及声波波长的测量。

原理：利用J2464型教学信号发生源，通过扬声器向去掉底部牛顿管内的水面发出不同频率的声波，同时缓慢地放出牛顿管中的水以达到改变空气柱长度的目的，直至声音突然变大，产生驻波现象后，停止放水，测出空气柱长度L，此时L为声波的1/4λ。

实验器材：牛顿管(内径5cm、长度68cm)、J2464型教学信号源、橡皮管(15cm)、水槽、铁架台、扬声器(4n、3W)、直尺等。

实验步骤：

(1)将牛顿管管口向上固定在铁架台上，把扬声器固定在管口正上方5cm处，并接在J2464型教学信号端，关闭牛顿管下端阀门，向管中加满水，橡皮管门上，一头放在水槽里。

(2)将低频旋钮调至400HZ处，打开信号源，把低频增幅调至扬声器发出微弱声音，然后打开阀门，使水从下端静静流出，同时细听声音的变化，当声音至最强时，立即关闭阀门，用直尺量出其空气柱长度L，则为400HZ声波波长的1/4倍。

(3)调节教学信号源频率选择钮，用500HZ、1000HZ重复以上实验步骤，所得数据如下：

注：

(1)A、C、E点分别为1000HZ、500HZ、400HZ的1/4λ测量值；

A’、C’、E’点分别为1000HZ、500HZ、400HZ的1/4λ理论值。

(2)B、D、F点分别为1000HZ、500HZ、400HZ的3/4λ测量值；

B’、D’、F’点分别为1000HZ、500HZ、400HZ的3/4λ理论值。

结论：(1)当温度、波速一定时，波长与频率成反比；(2)理论值由λ=和C=331.4(t为测量环境的摄氏温度)，计算所得。

实验体会：(1)改善了实验方法由原来的两人操作为一人操作，由原来的往上提管使空气柱长度变化改为水流式改变空气柱长度；(2)发声装置的改变使实验效果明显；(3)定量测量不同频率声波的波长加深了对λ=公式的理解，深入了解了管乐器发生的原理；(4)比较测量值与