波长测量的探究与仪器研制

郭本矿

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)比较测量值与理论值有误差，误差产生有两方面：一是单靠声音来判断波长，结果不太准确；二是牛顿管管口不齐，测量时带来误差。

为了更加方便快捷准确地测量声波的波长，特研制了声波波长测量仪(以下简称测量仪)。

测量仪由两部分组成：测量部分和发声部分。测量部分由测量架与牛顿管组成，测量架可手工制成，方法如下：三根86×2.7×1.6(cm)的木棍，外径12em、内径6.5cm的圆环A和外径15cm、内径5cm的圆环B，在B环内侧开一个2.5×3.5(cm)的长方形小口，将三木棍沿圆形的外侧扣成120°、上窄下宽的三角架，在牛顿管外侧贴上皮尺，用以读出波长大小。

发生装置由两部分组成，主机在22.1×17.3×14.5(cm)的木箱中固定，由低频信号发生源(Rc桥式振荡电路，并有适度负反馈线路)组成，扬声器在17×5.1×12.5(cm)的小木盒中信号发生部分提供5个频率的声波：500HZ、1000HZ、2000HZ、2500HZ。

使用方法：将牛顿管放在三角架中，把放有扬声器的盒子扣在三角架上端，将牛顿管注满水，打开电源，调节频率选择旋钮和音量旋钮选适当位置，使扬声器发声，开启阀门，缓慢放出牛顿管中的水，当驻波现象产生时，关闭阀门，从牛顿管上的皮尺读出数据，即为此时声波的1/4λ数值。

装置优点：此装置有助于提高学生学习物理的积极性，增强学生探索物理问题的兴趣，操作时，一个人可轻松测量较准确的数据，使实验简捷，节省课堂时间，更重要的是为学生展示了一次逆向思维在实际中的运用。

经多次实验总结可知：在测量不同频率声波的波长时，频率越高，其波长越短，若我们需测几种不同频率的声波波长，应从较高频率的声波测起，这样我们便能在牛顿管的有效量程中一次完成，不同频率声波波长的测量，中间不用加水，这样既缩短了实验时间，又节约水资源；若想提高波长测量的精度，还可在装置中加入拾音放大显示电路，通过LED发光的个数来判断反射声波最强时刻，这样不仅能利用听觉来判断，还借助了科技手段进行客观判断，能使测量值更加精确。