聲速測量實驗精選(九篇)

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第1篇：聲速測量實驗范文

關鍵詞：大學生；素質(zhì)生態(tài)；“90后”；問卷編制；信效度

作者簡介：黃艷（1975-），女，湖北武漢人，武漢工程大學高等教育研究所副所長，副教授。（湖北 武漢 430074）

基金項目：本文系教育部人文社會科學研究項目（項目批準號：10YJC880052）的研究成果。

中圖分類號：G645 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）17-0136-03

“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)是指“90后”大學生基于個人的背景因素，包括個人特性、入學前的準備、性別以及民族因素，通過主動地塑造大學人際環(huán)境來影響大學和社會環(huán)境，并且在此環(huán)境中獲取個人發(fā)展的可能性的主體性品質(zhì)。評價“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平，除了進行定性的研究之外，還需要對其進行定量的描述和分析。因此，筆者擬構(gòu)建一個科學的度量標尺，利用這一度量標尺去測量“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)的現(xiàn)實水平，從而客觀地回答社會普遍關心的問題：“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)的現(xiàn)實水平與發(fā)展趨勢究竟如何？如何增強或提升“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)的現(xiàn)實水平？

近年來，隨著大學生素質(zhì)測評理論與實踐研究的逐步深入，大學生素質(zhì)生態(tài)評價研究成為人的全面發(fā)展與教育生態(tài)理論研究中的一個重要問題。[1]目前，研究者對大學生素質(zhì)的測量主要采取兩種方式：客觀測量與知覺測量。20世紀90年代以前，研究者多從事實判斷的角度，即采用大學生的學習成績、科研成果、身體形態(tài)與機能以及心理癥狀自評指數(shù)等一些客觀指標來測量大學生素質(zhì)的現(xiàn)實水平。90年代之后，研究者發(fā)現(xiàn)大學生做出的行為反應通常不是基于客觀刺激本身，而是基于他們對外界客觀刺激的知覺。因此，研究者得出了采用知覺測量較客觀指標更為恰當?shù)慕Y(jié)論。[2]雖然從90年代開始，研究者對大學生素質(zhì)水平的測量已經(jīng)逐步采用知覺測量的標尺，但從目前的研究文獻來看，學界仍然沒有開發(fā)出一套科學的測量工具，亟待編制一份用以測量“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平的測量工具，為客觀地分析和研究“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平提供科學依據(jù)。

一、研究方法

1.建構(gòu)“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)理論維度

根據(jù)人的全面發(fā)展與教育生態(tài)的相關理論及各種核心要素對大學生產(chǎn)生影響的程度，大學生素質(zhì)生態(tài)可以歸結(jié)為三個方面：遺傳素質(zhì)、可能素質(zhì)與現(xiàn)實素質(zhì)（見圖1）。

（1）遺傳素質(zhì)是大學生具備的一種基因性素質(zhì)。遺傳素質(zhì)主要是經(jīng)生理遺傳而獲得的人的先天的生理特點，包括身高體重、骨骼系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)在內(nèi)的解剖生理特征以及運動素質(zhì)、反應速度、負荷限度、適應能力、抵抗能力等的生理機能特征。

（2）可能素質(zhì)是大學生具備的一種潛在性素質(zhì)?？赡芩刭|(zhì)主要是人的發(fā)展?jié)撃芑虬l(fā)展?jié)摿?，它既不具有遺傳素質(zhì)那種與生俱來的先天性，也不具備與先天與后天共同作用下形成的人的現(xiàn)實性，它包含在人的現(xiàn)實性之中，預示著大學生未來發(fā)展的種種趨勢，是潛在而尚未實現(xiàn)的因素。

（3）現(xiàn)實素質(zhì)是大學生具備的一種獲得性素質(zhì)?，F(xiàn)實素質(zhì)是人在后天通過環(huán)境影響和教育訓練所獲得的穩(wěn)定的長期發(fā)揮作用的基本品質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括人的思想、知識、身體、心理品質(zhì)等方面。現(xiàn)實素質(zhì)是人的可能的遺傳素質(zhì)在外界環(huán)境和教育的作用下，通過內(nèi)化后形成的一種穩(wěn)定的現(xiàn)實品質(zhì)。

2.編制與修訂“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平量表測題

根據(jù)“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)洋蔥模型，編制了“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平測量問卷。問卷分別給出了“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)三個維度的評價指標與操作性定義，根據(jù)各個維度和評價指標的含義，筆者要求問卷編制人員列出9～11個具體的事例，并從中選取編制了測量項目。在此基礎上，獲得了156個測量項目，并從中篩選出了測量“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平的項目56個，其中反映“90后”大學生遺傳素質(zhì)水平的項目22個、反映“90后”大學生可能素質(zhì)水平的項目26個與反映“90后”大學生現(xiàn)實素質(zhì)水平的項目8個。筆者對項目又進行了反復修訂，最后形成了由22個項目組合的“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平試測問卷：反映遺傳素質(zhì)水平的項目6個、反映可能素質(zhì)水平的項目5個與11個反映現(xiàn)實素質(zhì)水平的項目。

3.“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平量表預測取樣

選取了316名“90后”大學生作為研究對象開展了量表預測。調(diào)研發(fā)放問卷316份，回收問卷302份，其中有效問卷302份，有效問卷回收率為95.57%。被試“90后”大學生的平均年齡為20.02歲；“90后”男性大學生占56.34%，“90后”女性大學生占43.66%；“90后”研究生占4.72%，“90后”本科生占89.06%，“90后”高職生占6.22%；“90后”理科生占18.32%，“90后”工科生占75.37%，“90后”文科生占6.31%；“90后”城鎮(zhèn)家庭背景大學生占48.67%，“90后”農(nóng)村家庭背景大學生占51.33%。

4.編制“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平正式問卷

以主成分分析法作為因子提取方法，極大方差法作為轉(zhuǎn)軸方法進行了探索因素分析，分析過程中保留因子的標準為選取特征根≥1。第一次探索性因素分析的結(jié)果顯示，項目3“你具備專業(yè)領域的科研創(chuàng)新意識”與項目14“你具有跨學科或跨專業(yè)系統(tǒng)學習的經(jīng)歷”的載荷分別為-0.876與-0.854，說明這兩個項目讓被試“90后”大學生產(chǎn)生了嚴重歧義。本研究在刪除了項目3與項目14后，得到了清晰的三維結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果還表明，項目5與項目13出現(xiàn)了雙重負荷。為提升這兩個項目的單維性，筆者對這兩個項目做出了修訂：項目5“我能夠閱讀與本專業(yè)相關的英文文獻”修訂為“我能夠閱讀與本專業(yè)相關的外文書籍”；項目13“我能夠閱讀國外先進的科技類書籍”修訂為“我了解與本專業(yè)相關的國際通用的學習方法與研究方法”。根據(jù)第二次取樣數(shù)據(jù)展開的探索性因素分析，項目5與項目13在各自維度上的載荷分別為0.674和0.823。筆者通過直接刪除與再修訂，最終形成了“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平測評問卷，共20個項目。

二、研究結(jié)論

1.被試選取

選取了372名“90后”大學生作為研究對象，發(fā)放問卷372份，回收問卷352份，其中有效問卷306份，有效回收率為86.93%。被試“90后”大學生的平均年齡為19.26歲；“90后”男性大學生占55.43%，“90后”女性大學生占44.57%；“90后”高職生占5.43%，“90后”本科生占91.33%，“90后”研究生占3.24%；“90后”理科生占21.32%，“90后”工科生占65.97%，“90后”文科生占12.71%；“90后”城鎮(zhèn)家庭背景大學生占45.72%，“90后”農(nóng)村家庭背景大學生占54.28%。

2.驗證性因素分析結(jié)果

通過相關分析發(fā)現(xiàn)遺傳素質(zhì)、可能素質(zhì)與現(xiàn)實素質(zhì)之間存在著一定程度的相關性，其中遺傳素質(zhì)與可能素質(zhì)之間的相關系數(shù)為0.69。因此，除了對三因素結(jié)構(gòu)模型進行驗證外，還對單因素和兩因素兩個競爭模型進行了相關性分析（見表2）。

3.實證效度

大學生素質(zhì)生態(tài)水平是衡量大學生作為“大學人”和“社會人”是否實現(xiàn)全面發(fā)展的一面鏡子。研究發(fā)現(xiàn)，“90后”文科背景大學生的素質(zhì)生態(tài)水平顯著優(yōu)于“90后”理科與工科背景大學生的素質(zhì)生態(tài)水平，“90后”理科背景大學生的素質(zhì)生態(tài)水平優(yōu)于“90后”工科背景的大學生素質(zhì)生態(tài)水平?！?0后”城市家庭背景大學生的素質(zhì)生態(tài)水平顯著優(yōu)于“90后”農(nóng)村家庭背景大學生的素質(zhì)生態(tài)水平?！?0后”男性大學生的素質(zhì)生態(tài)水平優(yōu)于“90后”女性大學生的素質(zhì)生態(tài)水平?！?0后”研究生的素質(zhì)生態(tài)水平整體優(yōu)于“90后”本科生與高職生的素質(zhì)生態(tài)水平（見表3）。

4.同質(zhì)信度

“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平測評中，遺傳素質(zhì)的內(nèi)部標準α系數(shù)為0.86，可能素質(zhì)α系數(shù)為0.74，現(xiàn)實素質(zhì)α系數(shù)為0.82，整個問卷的α系數(shù)為0.89。

三、討論

1.“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

科學概念是研究者對客觀事物或現(xiàn)象進行高度概括和抽象所得出的結(jié)論?？茖W概念的內(nèi)容是多維而不是單維的，因此在編制測量工具前需要對科學概念進行維度建構(gòu)。[3]關于概念內(nèi)部維度的構(gòu)建，通常有從前因建構(gòu)與從性質(zhì)表現(xiàn)建構(gòu)兩種方式?；谇耙蚪?gòu)的學者胡永宏等提出了大學生綜合素質(zhì)評價指標體系建立的五項原則：綜合性原則、層次性原則、代表性原則、獨立性原則和可行性原則；[4]劉亞東等學者在分析了傳統(tǒng)評價體系存在的認識誤區(qū)和科學構(gòu)建素質(zhì)評價應堅持的原則后，認為素質(zhì)評價體系的構(gòu)建中必須處理好四個關系：全面發(fā)展與個性發(fā)展的關系、繼承傳統(tǒng)與創(chuàng)新教育的關系、通才教育與專才教育的關系、科學素質(zhì)與人文素質(zhì)的關系?；谛再|(zhì)表現(xiàn)建構(gòu)“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)內(nèi)部維度的學者王貴農(nóng)構(gòu)建了大學生素質(zhì)綜合測評體系，提出了把紀實性評價作為大學生評價的主導方針，并設計了大學生素質(zhì)綜合測評表及具體的測評實施辦法；[5]學者龍建成提出了構(gòu)建大學生全面素質(zhì)評價的五個模塊：思想道德素質(zhì)模塊、專業(yè)理論素質(zhì)模塊、創(chuàng)新精神和實踐能力模塊、文化素質(zhì)模塊和身心素質(zhì)模塊。[6]在此基礎上，筆者進一步結(jié)合“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)的性質(zhì)表現(xiàn)，將“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)建構(gòu)為遺傳素質(zhì)、可能素質(zhì)與現(xiàn)實素質(zhì)三個維度，并開發(fā)出了“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平測量問卷，開展了“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平的定量研究。

2.“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平測量問卷的效度和信度

判斷一個模型優(yōu)劣與否要綜合考慮多項指標，不能只看單一指標。筆者在綜合考慮與樣本容量N無關、懲罰復雜模型與對誤設模型敏感等三個典型特征的基礎之上認為，“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平測量問卷的三因素結(jié)構(gòu)是可以接受的，而且三因素結(jié)構(gòu)模型的各項擬合指數(shù)均優(yōu)于競爭模型，因此“90后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平測量問卷的結(jié)構(gòu)效度是理想的?！?0后”大學生素質(zhì)生態(tài)水平測量問卷的信度分析研究顯示，各個維度項目之間均具有良好的內(nèi)部一致性。研究結(jié)果也顯示，問卷的總α系數(shù)達到0.89，處于比較高的水平。但是筆者認為α系數(shù)高并不能充分證明測量問卷是一個維度，因為信度只是效度的必要條件而并非充分條件，α系數(shù)高只能說明測量問卷存在一維的可能性，因此，總α系數(shù)比較高是可以接受的。

參考文獻：

[1]劉貴華.試論生態(tài)學對于教育研究的適切性[J].教育研究，2007，（7）：52-54.

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[3]Bailey KD.Methods of Social Research[M].New York： The Free Press，1994：115-165.

[4]胡永宏.高等學校實施素質(zhì)教育議[J].西北工業(yè)大學學報（社會科學版），2000，（2）：12-17.

第2篇：聲速測量實驗范文

【關鍵詞】聲速測量;信號放大;A/D轉(zhuǎn)換

1.引言

如今，自動化測試在各科研單位、各公司企業(yè)內(nèi)越來越受到關注。由于無線電電子學、微電子學及計算機技術的迅速發(fā)展和密切結(jié)合，電子測量已經(jīng)成為測量學的組成部分。

傳統(tǒng)方法測量聲速時，將接收器接收的電信號直接連接到示波器上，用示波器檢測接收器上的輸出電壓幅度的變化，可觀察到電壓幅度隨距離周期性的變化。測量過程中需要人眼來觀察電壓幅度的變化，并分辨出波峰的極大值的變化;兩換能器之間的距離是通過手動搖桿來控制的，具有回程誤差;兩換能器之間的距離是通過游標卡尺來讀得，精度不夠高，這些都具有較大的誤差，測量結(jié)果精度低，且采樣效率低，這是傳統(tǒng)聲速測量的不足之處。而目前的測量趨勢是自動化測量，而且自動化測量的特點是可以大大提高測量的速度和精度，在此想到將聲速測量進行改進，實現(xiàn)其自動化測量，這就涉及到將聲波轉(zhuǎn)換成電信號并對其進行處理，然后輸入至計算機，經(jīng)過一定的算法對信號進行處理，計算出結(jié)果。

2.實驗室聲速測量原理

2.1 壓電陶瓷換能器

壓電陶瓷換能器將實驗儀器輸出的正弦振蕩電信號轉(zhuǎn)成超聲振動。壓電陶瓷片是換能器的工作物質(zhì)，它是用多晶體結(jié)構(gòu)的壓電材料（如鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛等）在一定的溫度下經(jīng)極化處理制成的。在壓電陶瓷片的前后表面粘貼上兩塊金屬組成的夾心型振子，就構(gòu)成了換能器。每一只換能器都有其固有的諧振頻率，換能器只有在其諧振頻率才能有效的發(fā)射（或接收）。測試時用一個換能器作為發(fā)射器，另一個作為接收器，兩換能器的表面互相平行，且諧振頻率匹配[1]。

2.2 共振干涉（駐波）法測聲速

到達接收器的聲波，一部分被接收并在接收器電極上有電壓輸出，一部分被向發(fā)射器方向反射。由波的干涉理論可知，兩列反向傳播的同頻率波干涉將形成駐波，駐波中振幅最大的點稱為波幅，振幅最小的點稱為波節(jié)，任何兩個相鄰波幅（或兩個相鄰波節(jié)）直接的距離都等于半個波長。改變兩只換能器間的距離，同時用示波器監(jiān)測接收器上的輸出電壓幅度變化，可觀察到電壓幅度隨距離周期性的變化。記錄下相鄰兩次出現(xiàn)最大電壓數(shù)值時游標尺的讀數(shù)，兩讀數(shù)之差的絕對值應等于聲波波長的二分之一。已知聲波頻率并測出波長，用v=λ×f即可計算聲速（其中λ為聲波波長，f為聲波頻率）[2]。

2.3 實驗室聲速測量小結(jié)

原方法采用共振干涉（駐波）法測聲速，將接收器接收的電信號直接連接到示波器上，用示波器檢測接收器上的輸出電壓幅度的變化，可觀察到電壓幅度隨距離周期性的變化，需要人眼來觀察電壓幅度的變化，并分辨出波峰的極大值的變化;示波器顯示的電壓只是一個近似電壓，并不是很準確的電壓值;兩換能器之間的距離是用手動搖桿來控制的，具有空回誤差;兩換能器之間的距離是通過游標卡尺來讀得，精度一般只有0.02mm，且在使用的過程中由于磨損精度還會有所降低，這些都具有較大的誤差，測量結(jié)果精度低，且采樣效率低，這是傳統(tǒng)聲速測量的不足之處。改進后的實驗儀器由步進電機代替手動搖桿控制兩超聲換能器間的距離，此實驗儀器后續(xù)改進是對接收的信號進行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)交由計算機處理。

3.信號分析

3.1 原測試結(jié)果

超聲頻率f=34.998kHz，示波器單位為5mv，T=27℃。

由表1中的換能器間距可以求得出：，，[3]，相對誤差為3.31%。由于電壓值的大小及變化是通過示波器來讀得，而示波器顯示的電壓本來就已經(jīng)經(jīng)過內(nèi)部處理，準確度和精確度就已不高，現(xiàn)在根據(jù)示波器的讀數(shù)變化來作為判斷波峰數(shù)值大小的變化，這具有很大的不精確性，所以實際誤差可能會更大，因此要改進測量方法，實現(xiàn)精度高的自動化測量。

3.2 信號分析

由示波器電壓輸出可看出，隨著兩超聲換能器之間距離的增大，所測出的波峰值衰減較大，由最大值11.5mv衰減到1.5mv。另：當前主要A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換分辨率在8位到12位之間，選10位、接收電壓為0-3.3V為例（即可分為1024個量化級）進行分析，所測數(shù)據(jù)值太小，最大值為11.5mv，利用公式：

（2.2.1）

可知，11.5mv在經(jīng)過量化編碼后只占4個量化級;相應的，最小值為1.5mv，利用公式：

（2.2.2）

可知，1.5mv在經(jīng)過量化編碼后占不到1個量化級，這樣就沒有充分利用A/D轉(zhuǎn)換模塊的高分辨率，不能很好的發(fā)揮A/D轉(zhuǎn)換模塊的功能，故要對信號進行放大，使最大的數(shù)據(jù)值經(jīng)過量化編碼后能達到大半個量化級的量程即700個量化級以上為佳），這樣才能很好的發(fā)揮高分辨率A/D轉(zhuǎn)換模塊的功能。

超聲換能器發(fā)射出超聲波的頻率為34.998kHz，由采樣定理可知，如果要對一個信號進行采樣，那么采樣頻率最小應為信號頻率的兩倍，即：被采樣信號每個周期內(nèi)至少要采出兩個點，這樣就要求選用的A/D轉(zhuǎn)換模塊的采樣頻率至少要為70kHz。為了驗證采樣頻率大小對采樣效果的影響，通過MATLAB模擬一個振幅為2.9V的正弦信號，現(xiàn)對該信號在一個周期內(nèi)進行不同頻率的采樣，當采樣頻率越高時，在一個周期內(nèi)所采出的點越多，也就意味著能夠采出越多的數(shù)據(jù)，這樣就能更完整的采集到原信號的信息。當采樣頻率為信號頻率的10倍時，擬合出振幅為2.8874V，此時標準差為0.0126V;采樣頻率為信號頻率的30倍時，擬合出振幅為2.9113V，此時標準差為0.0113V;采樣頻率為信號頻率的50倍時，擬合出振幅為2.8963V，此時標準差為0.0037V。由此數(shù)據(jù)可得，隨著采樣頻率的上升，誤差在降低，效果變好。所以要選擇采樣頻率較高的A/D轉(zhuǎn)換模塊。

4.信號放大

由于信號強度太弱，最大值僅有11.5mv，與一般A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓3-5V相比太小，不能充分利用A/D轉(zhuǎn)換的高分辨率，所以要對所接收的信號進行放大，這樣就要選擇合適的放大器，筆者翻閱資料，查找到了AD603，現(xiàn)它的主要原理分析如下

AD603是一種低噪聲、90MHz帶寬、增益及增益范圍可調(diào)的集成運放。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖為圖1所示。信號從精密無源梯形網(wǎng)絡的輸入端（VINP）輸入，輸入信號的衰減量（0～-42.14dB）由高阻（50MΩ）低偏流差分輸入（GPOS-GENG）的增益控制電路輸出控制，控制梯形網(wǎng)絡的“滑動觸點”至相應的“節(jié)點”處。固定增益放大器的增益通過VOUT與FDBK的連接形式確定，當VOUT與FDBK短接時，增益為31.07dB;當VOUT與FDBK開路時增益為51.07dB;當VOUT與FDBK外接一個電阻REXT，增益可設置在31.07～51.07dB之間。若在FDBK與COMN接一個電阻，則可獲得稍高的增益，最大增益約60dB。

圖1 AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

因此，AD603的寬頻帶、增益由VOUT與FDBK的連接方式確定[4]。當VOUT與FDBK外接一個電阻REXT，F(xiàn)DBK與COMM端之間接一個5.6pF的電容用于頻率補償時，AD603的增益由電阻REXT確定，如圖2所示。

圖2 增益系數(shù)設定方法

5.電路設計

5.1 硬件設計

圖3 硬件設計框圖

如圖6所示，LM3S615系統(tǒng)板通過PWM信號控制步進電機的運行（此非本文主要工作），改變兩超聲換能器之間的距離，測量不同距離時接收端所接受的電壓值，由于所測量的電壓幅值太小，只能以mv計算，所以要對信號進行放大，放大后的信號經(jīng)過LM3S615內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊處理，然后將數(shù)據(jù)傳入計算機，通過一定的算法得出最終的聲速。

5.2 信號放大部分

在進行信號放大時如選擇31.07dB的增益系數(shù)，由公式：

（4.2.1）

可得，再利用式（2.2.1）可得：

，可得最大值11.5mv經(jīng)過放大后再量化編碼，占128個量化級;利用式（2.2.2）可得：

，占18個量化級。而A/D轉(zhuǎn)換模塊有1024個量化級，最大值只占128個量化級，只有量程的1/10左右，依舊不能充分利用A/D轉(zhuǎn)換模塊的高分辨率。如選擇51.07dB的增益系數(shù)，由式（4.2.1）類似可得，再利用式（2.2.1）可得：

，可得最大值11.5mv經(jīng)過放大后再量化編碼，占1276個量化級，已超過量化級的最大量程1024，所以51.07dB的增益系數(shù)太大。選擇48dB，由式（4.2.1）可得：，再利用式（2.2.1）可得：

，即最大值11.5mv經(jīng)過放大后再量化編碼，占897個量化級;利用式（2.2.2）可得：

，即最小值1.5mv經(jīng)過放大后再量化編碼，占117個量化級。

又有AD603的增益系數(shù)公式：

（4.2.2）

其中，VG為GPOS和GENG兩管腳的電壓值的差值，且以伏特（V）為計量單位，即，要使，則要使，即。

圖4 AD603電路圖

如圖4所示，管腳1（即VC1）上所分電壓為6.45V，管腳2（即VC2）上所分電壓為5.50V，則，這樣就使得此時的增益系數(shù)為48dB，使信號得到充分放大，但不能保證嚴格按照理想情況放大，可能會出現(xiàn)誤差，由于時間緊張，本文并未對誤差進行細微分析。

5.3 放大后信號分析

由接收器接受的信號經(jīng)過AD603放大后再連接到示波器上，可得出此時示波器的讀數(shù)（如表2所示）。

可得，由超聲換能器接收端接收的信號經(jīng)AD603放大器后，能進行近似的線性放大，最大值為2.9V，最小值為0.3V，在A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓范圍內(nèi)，并且最大值2.9V接近A/D轉(zhuǎn)換模塊的最大工作電壓3.3V，可以有效的利用A/D轉(zhuǎn)換模塊的高分辨率，能夠達到900左右的量化級;最小值0.3V的量化級為120左右，可以合理利用轉(zhuǎn)換模塊的高分辨率，并使轉(zhuǎn)換的高精度能夠充分發(fā)揮作用。

5.4 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

超聲換能器所發(fā)射的超聲頻率為34.998KHz，A/D轉(zhuǎn)換模塊的采樣頻率為500KHz，則在超聲波每個周期內(nèi)，A/D模塊可采樣14次左右，但不能保證正好有一次采樣可以采到波峰（谷）處，則需將這14個點的數(shù)據(jù)進行擬合，擬合出一條完整的曲線，并得出波峰（谷）值。

超聲換能器接收端接收的信號經(jīng)AD603近似線性放大以后，再通過A/D轉(zhuǎn)化后的一個周期內(nèi)的輸出值如表3所示。

通過數(shù)據(jù)擬合可得極小值點的電壓為-2.910V，插值圖形如圖5所示。

圖5 采樣曲線

由圖5可知，LM3S615內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊可以在超聲信號的一個周期內(nèi)采出13個點，根據(jù)數(shù)據(jù)擬合得出圖形，所以該模塊500KHz的采樣頻率可以對超聲信號進行采樣，并且采樣效果良好，所以采用該A/D轉(zhuǎn)換模塊是可以滿足采樣要求的。

這樣，被AD603放大的信號經(jīng)過LM3S615內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換過后，采樣數(shù)據(jù)可以被計算機讀出，并進行數(shù)據(jù)擬合運算，擬合出超聲波信號，再交由計算機處理，經(jīng)過一定的算法，計算出結(jié)果。

6.小結(jié)

本文針對傳統(tǒng)聲速測量的不足，根據(jù)全自動聲速測量原理，設計了一套新的測量儀器，涉及到信號采集分析，故本文進行了硬件電路設計。在對接收端接收的電信號進行分析后，發(fā)現(xiàn)電壓幅值太小，不能充分利用A/D轉(zhuǎn)換模塊的高分辨率，故選擇使用了AD603對超聲換能器接收端接收的電信號進行類似的線性放大，使之能夠滿足LM3S615內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的參數(shù)要求，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，讀出A/D轉(zhuǎn)換值，為后續(xù)信號處理服務。

參考文獻

[1]陳重華，肖鳴山，劉三書.壓電陶瓷應用[M].西安：陜西人民出版社，1985.

[2]孫向輝，周國輝，劉金來等.關于空氣中聲速測量實驗的研究[J].大學物理，2001.

第3篇：聲速測量實驗范文

2實驗原理

2.1 時差法測量聲速

時差法測量聲速是利用已知聲波傳播的距離,測量發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時間差。

計算出聲速在液體中的傳播速度,即超聲波 [10] (1)

時差法

其中L的是位移之差,T是傳播所用的時間。

在儲液槽中注入液體,直至將換能器完全浸沒,但不能超過液面線。注意:注入液體時,不能將液體淋在數(shù)字顯示表頭上。將專用信號源上的“聲速傳播介質(zhì)”置于“液體”位置,換能器的連接端應在接線盒上的“液體”專用插座上。

測量液體聲速時,由于在液體中聲波的衰減較小,因而存在較大的回波疊加,并且在相同頻率的情況下,其波長要大得多,用駐波法和相位法測量時可能會有較大的誤差,所以建議采用時差法測量。

2.2 陶瓷換能器工作原理

頻率在20Hz~20kHz的機械波振動在彈性介質(zhì)中的傳播就形成超聲波超過

20KH超聲波,超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度,而超聲波長短,易于定

向發(fā)射等優(yōu)點[11],聲速實驗聲速所采用的聲波頻率一般都在20~60kHz之間。此

頻率范圍內(nèi),采用壓電陶瓷換能器作為聲波的發(fā)射器,接收效果最佳。壓電陶

瓷換能器根據(jù)它的工作方式,分為縱向(振動)換能器。聲速教學實驗中大多數(shù)

采用縱向換能器。圖3為縱向換能器的結(jié)構(gòu),用示波器觀察波谷和波峰,或觀察兩個波間的相位差,原理是正確的,但讀數(shù)位置不易確定。較精確測量聲速是用聲波時差法。時差法在工程中得到了廣泛的應用,它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號加到發(fā)射換能器上,聲波在介質(zhì)中傳播,經(jīng)過時間后,到達距離處的接收陶瓷換能器圖2

水中聲速與溫度關系的實驗研究

3 實驗方法

3.1 時差法測量聲速操作方法

(1)實驗時只要按圖3連接中換能器的S2該接在信號源的S2上,再把信號源上的Y1,Y2順次與示波器上的Y1,Y2接通即可。

(2)將測試方法設置到脈沖波方式,將換能器的S1,S2調(diào)節(jié)到一定距離,在調(diào)解接收增益,使得顯示的時間差值讀數(shù)穩(wěn)定,此時儀器內(nèi)置的計數(shù)器工作在最佳狀態(tài),記錄此時的距離值和時間值。移動S2,如果計時器讀數(shù)有跳變,則微調(diào)接收增益(距離大時,順時針調(diào)節(jié);距離小時,逆時針調(diào)節(jié)),使得計數(shù)器連續(xù)穩(wěn)定的變化。

(3)將！測試方法設置到脈沖波方式。

(4)在儀器使用前,開啟電源預熱15min。接通市電后,自動工作在連續(xù)波方式,選擇蒸餾水為介質(zhì)?！皞鞑ソ橘|(zhì)”按鈕選擇液體。

(5)將S1和S2之間的距離調(diào)到一定距離(≥50mm),再調(diào)節(jié)接收增益,使示波器上顯示的接收波信號幅度在400mV左右(峰—峰值),以使計時器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時的距離值和顯示的時間值Li、(時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出)。保持距離不變隨著溫度的逐漸降低,記錄下當時的時間值。

(6)當使用液體為介質(zhì)測試聲速時,先在測試槽中注入液體,直到把換能器完全浸沒,但不能超過液面線。然后將信號源面板上的介質(zhì)選擇鍵切換至“液體”,并將連線接至插入接線盒的“液體”接線孔中,即可進行測試,步驟與上相同。

3.2時差法線路連接圖

聲速

4 記錄數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理

4.1 記錄數(shù)據(jù)

測量次數(shù)i 溫度T (℃ ) 距離L ( ㎜ ) 時間t (us)

1 20 216.51 164

2 27 216.51 163

3 36 216.51 162

4 48 216.51 161

5 59 216.51 160

6 70 216.51 159

7 73 216.51 158

表1蒸餾水中溫度與速度關系實驗研究數(shù)據(jù)

測量次數(shù)i 溫度T (℃ ) 距離L ( ㎜ ) 時間t (us)

1 20 216.51 144

2 30 216.51 143

3 40 216.51 142

4 54 216.51 141

5 58 216.51 140

6 62 216.51 139

7 66 216.51 138

8 70 216.51 137

9 73 216.52 136

表2自來水中溫度與速度關系實驗研究數(shù)據(jù)記錄

4.2數(shù)據(jù)處理

由時差法速度由計算公式水中聲速與溫度關系的實驗研究[10]可得。 例如V=L/t=216.51/164=1320m/s其余計算結(jié)果見下表:

測量次數(shù)i 溫度T (℃ ) 距離L(㎜) 時間t (us) 速度v(m/s)

1 20 216.51 164 1320

2 27 216.51 163 1328

3 36 216.51 162 1336

4 48 216.51 161 1344

5 59 216.51 160 1353

6 70 216.51 159 1362

7 73 216.51 158 1370

表3蒸餾水中溫度與速度實驗研究數(shù)據(jù)處理

測量次數(shù)i 溫度T (℃) 距離L( ㎜ ) 時間t (us) 速度v(m/s)

1 20 216.51 144 1490

2 30 216.51 143 1510

3 40 216.51 142 1517

4 54 216.51 141 1530

5 58 216.51 140 1542

6 62 216.51 139 1557

7 66 216.51 138 1568

8 70 216.51

137 1580

9 73 216.51 136 1592

表4自來水中溫度與速度實驗研究數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理

4.3繪制曲線圖

溫度

5實驗結(jié)論與討論

本文利用時差法測量超聲波在液體中聲速的傳播特性。實驗測量原理簡單,方法可行,測量結(jié)果精確度高。本文以蒸餾水和自來水為例。檢測了水在20~73℃溫度范圍超聲波在水中聲速與溫度關系的傳播特性。給出了不同溫度下速度與溫度的關系曲線圖。實驗結(jié)果表明隨著溫度的升高聲速變大。雖然在同一溫度范圍內(nèi)測量聲速,但自來水和蒸餾水中的變化趨勢明顯不同,蒸餾水中聲速變化均勻,而自來水中聲速隨溫度變化較復雜,在20~55℃聲速變化較緩慢。55~73℃聲速變化較快。這與它們的成分不同有關,自來水中成分復雜。這其中主要因素主要是因為散射、衰減、吸收、外界因素等。為完善檢測方法和檢測系統(tǒng)提供了參考。從資料中可知,當外界壓強為一個大氣壓時,超聲波在水中的聲速先是由溫度的升高而變大,直至溫度達到73℃時為止,然后隨溫度的繼續(xù)升高而減少[12]。由于實驗條件所制,本實驗無法測量73℃以后聲速隨溫度的變化關系。

第4篇：聲速測量實驗范文

關鍵詞：物理實驗 不確定度

物理實驗中的不確定度指的是因為實驗測量誤差存在而被測量的真值不能肯定的程度，利用計算不確定度的方式對物理實驗結(jié)果做出判定，可最大程度地降低物理實驗操作中的誤差，指出降低實驗測量誤差方向，提高物理實驗測量結(jié)果可靠性。

一、物理實驗中不確定度的定義概述

物理實驗中的不確定度取消了隨機與系統(tǒng)的分類方法，其判定主要分為兩大類，分別是A類不確定度以及由非統(tǒng)計分析判定的B類不確定度。在物理實驗測量過程中所運用的裝置特性、鑒定證書、制造說明書以及手冊參數(shù)等內(nèi)容形成信息集合，由這種規(guī)程或者是標準獲取的儀器誤差屬于B類不確定度判定的范疇，在實驗測量中利用統(tǒng)計方法計算獲取的標準偏差則屬于A類不確定度判定。不確定度理論在不斷完善發(fā)展的過程中并未完全拋開誤差理論，其是在誤差理論的基礎上形成的不確定度體系，物理實驗中的不確定度與測量誤差相比具有更強的通用性與可操作性。為此，國際計量局還在1980年針對物理實驗中的不確定度提出了相應的試驗不確定度建議書，由此可見，不確定度在物理實驗研究中的重要性。為使物理實驗中的不確定度計算等內(nèi)容更加規(guī)范，我國在1993年制定了《測量不確定度》，該規(guī)范的提出具有國際性指導意義，為準確測量不確定度奠定了統(tǒng)一基礎。

二、物理實驗中的不確定度判定

1.A類不確定度標準判定

四、總結(jié)

綜上所述，不確定度是有效判定物理實驗結(jié)果的重要因素，直接決定物理實驗結(jié)果的可靠性與科學性，因此在物理實驗中要了解不確定度基本概念以及其所包含的相關內(nèi)容，保證不確定度的適用性與可操作性，為我國物理研究提供可靠化依據(jù)。

參考文獻：

第5篇：聲速測量實驗范文

關鍵詞：誤差分析；目標跟蹤；短基線;聲納

中圖分類號：TN9117 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1504002

Error Analysis of Underwater Target Tracking System Using Short-base Line Sonar

WANG Yaxun

(Dongguan University of Technology,Dongguan,523808,China)

Abstract：Error distribution is a problem for underwater target tracking in a short-base line sonar system,which is investigated in this paper.Based on relevance theory and error theory,distribution of the location error is studied in underwater target tracking using short-base sonar system.By analyzing the error distribution,an index is provided for evaluating performance of the system.Also a method is developed for error analysis in such location system.

Keywords：error analysis;target tracking;short-base line;sonar

1 引 言

短基線聲納系統(tǒng)已成為水下目標定位的基本工具,它具有全天候、高精度等優(yōu)點。它對目標進行定位的過程是：目標定時發(fā)出聲脈沖,由聲納在接收到目標信號的基礎上,利用適當?shù)臄?shù)據(jù)處理手段,確定出目標的位置點［1］。隨著該聲納系統(tǒng)在實際中的應用,聲納跟蹤算法的研究顯得越來越緊迫。到目前為止,有關聲納跟蹤算法的誤差研究還較少［2,3］,例如短基線聲納系統(tǒng)跟蹤水下目標的位置誤差的分布問題,就是一個人們期待解決而尚未解決的問題。本文用相關理論和誤差理論的方法找到了這種誤差所服從的分布規(guī)律。

2 短基線聲納系統(tǒng)簡介

短基線聲納系統(tǒng)的左右兩側(cè)各安裝了兩個相距3 m的聲納,用于測量運動目標的距離和方位。當目標在聲納系統(tǒng)的左邊時,左邊的兩個聲納工作,反之,右邊的兩個聲納工作。采用同步式工作方式,目標每05 s發(fā)射一次聲脈沖,從目標到第一個接受到的聲納的距離記為斜距S1,第二個聲納從第一個聲納接受到信號時測起,到該聲納的距離為方向余弦θ(注：這是工程上的習慣叫法),目標到第二個聲納的斜距記為S2。S2=S1+θ(1)目標相對于聲納系統(tǒng)在同一水平面,見圖1。我們的目的是研究由(S1,S2)確定目標的位置P(x,y)后,目標的直角位置(x,y)的誤差分布服從何種規(guī)律。值得注意的是測量值(S1,S2)在測量過程中不可避免地被各種噪聲污染。

圖1 短基線聲納系統(tǒng)示意圖

3 目標的位置誤差分布

為研究短基線聲納系統(tǒng)測量目標的位置誤差分布,取聲納系統(tǒng)的縱軸為x軸,四個聲納的交叉點為坐標原點,y軸在四個聲納所在的水平面內(nèi)并垂直于x軸,見圖1。顯然,目標的位置P(x,y)與測量值(S1,S2)的關系式如下：S21=(x－15)2+(y－0265)2(2)和S22=(x+15)2+(y－0265)2(3) 不妨假定目標在聲納系統(tǒng)的左側(cè),于是可解得:x=16(S22－S21)(4)和y=S21－(x－1.5)2+0256(5)斜距S1和S2是由聲脈沖從目標到兩個聲納的傳播時間乘以聲速得到,即:S1=CT1(6)

S2=CT2(7)其中C是水中的聲速。由于聲速測量和時間測量都不可避免地含有誤差,故由式(6)和式(7)得到的斜距也有誤差,由式(4)和式(5)轉(zhuǎn)換后,會傳播給得到的直角坐標,因此,目標的位置坐標也必然會產(chǎn)生誤差。

設斜距S1和S2的誤差服從正態(tài)分布,均值為0,其方差分別為σS1和σS2。由于兩個聲納在2 ms這樣短的時間內(nèi)先后接受到聲信號,故可以認為σS1和σS2是相同的,即記σS1=σS2=σ。

設σx和σy分別表示目標坐標x,y的均方根誤差,ρ是S1與S2的測量誤差的相關系數(shù),根據(jù)文獻［4］,定義:ρ=EΔS1ΔS2EΔ2S1EΔ2S2(8)其中ΔS1和ΔS2分別是測量斜距S1和S2的隨機誤差［4］。

根據(jù)誤差傳遞公式［4］:

σ2x=(xS1)2σ2S1+(xS2)2σ2S2+2ρxS1xS2σS1σS2(9)

對式(4)和式(5)求偏導,可得:xS1=－S13(10)

xS2=S23(11)代入式(9)得：σ2x=19(S21σ2S1+S22σ2S2－2ρS1S2σS1σS2)(12)即:σ2x=19(S21+S22－2ρS1S2)σ2┆(13)在式(5)中,y含有S1和S2,其誤差傳播公式為:σ2y=xS12σ2S1+yS22σ2S2+2ρyS1y氮S2σS1σS2(14) 對式(5)求偏導可得:yS1=13yS1(x+1.5)(15)

yS2=-13yS2(x－1.5)(16) 考慮到σS1=σS2=σ,將式(15)和式(16)代入式(14)可得：σ2y=19y2［S21(x+1.5)2+S22(x－1.5)2－

2ρS1S2(x2－1.52)］σ2┆(17) 位置誤差σP的判據(jù)為［5］:σP=σ2x+σ2y2(18) 由式(8)的定義,因斜距S1和S2的測量與θ的測量不相關,有:EΔS1ΔS2=EΔS1(ΔS1+Δθ)=EΔ2S1=σ2S1所以:

ρ=σ2S1σ2S1σ2S1+σ2θ=σS1σ2S1+σ2θ=σσ2┆+σ2θ(19)

其中σθ為方向余弦θ的均方誤差。

4 仿真計算

為了求得位置誤差的均方根σP,取σ和σθ為該測距系統(tǒng)最大的設計允許誤差σ=0336 m,σθ =0036 m。由式(19)可計算得到相關系數(shù)ρ=0994。根據(jù)不同的開角α(°),不同的距離S1 (m),算得S2和y。由式(18)、式(17)和式(13)上機編程計算,結(jié)果見表1。

表1 位置誤差的分布

從表1可以看出：

(1) 距離越遠,精度越低；開角越大,精度越低。

(2) 在100 m以內(nèi),該系統(tǒng)測量精度在1 m以內(nèi)。

(3) 在270 m處,精度在5 m以內(nèi)。

5 結(jié) 語

短基線聲納系統(tǒng)跟蹤水下目標的位置誤差的分布問題是一個人們期待解決而尚未解決的問題。我們用相關理論和誤差理論的方法對該問題進行了分析和推導,得到了位置誤差所服從的分布規(guī)律,即服從正態(tài)分布N(0,σP),其中均方根σP由式(18)、式(17)和┦(13)給出,還計算出了在不同距離和不同方位的誤差分布,為分析短基線聲納系統(tǒng)跟蹤水下目標的精度問題提供了理論依據(jù)。

參 考 文 獻

［1］孫仲康,周一宇,何黎星.單多基地有源無源定位技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社,2006.

［2］Anderson K L,Iltis R A.A Distributed Bearing-only Tracking Algorithm Using Reduce Sufficient Statistics［J］.IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems,2006,32(1):339-349.

［3］ILTIS R A,Anderson K L.A Consistent Estimation Criterion for Multisensor Bearing-only Tracking［J］.IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems,1996,32(1):108-120.

［4］馮師顏.誤差理論與實驗數(shù)據(jù)處理\.北京：科學出版社,2000.

［5］林少宮.基礎概率與數(shù)理統(tǒng)計\.北京：人民教育出版社,2001.

第6篇：聲速測量實驗范文

關鍵詞：細觀察；勤思考；理解；興趣；應用

中圖分類號：G633.7 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）34-0156-02

物理與語文、數(shù)學、外語等其他學科不同，有趣和有用是直觀特性，物理中的很多規(guī)律都是通過實驗得出的，物理的特點決定了它不能與其他學科的學習方法以及教師的授課方法相比。初中學生剛開始接觸物理時都有一種新鮮感，學習的積極性也較高，但是隨著知識的加深、難度的加大等原因，有些學生感到吃力，學習興趣逐漸降低，慢慢對學好物理失去了信心，產(chǎn)生了畏難情緒，直接導致了成績的下降。通過自己的教學實踐發(fā)現(xiàn)，在教學中盡量采用直觀手段，對學生加以正確的引導，讓學生勤于動腦，多聯(lián)系生活實際，可以有效增強學生對物理的興趣，提高學習的主動性和積極性，從而增強學習效果。

一、要重視觀察和實驗

觀察和實驗是物理的基礎，許多物理知識是通過觀察和實驗，最后經(jīng)過總結(jié)和推斷得出來的。在學習物理的過程中，要觀察許多現(xiàn)象，如雷雨前動物為什么會有反?，F(xiàn)象，雨后的彩虹為什么會有各種顏色，冬天的早晨為什么會結(jié)霜，穿濕衣服為什么容易感冒，收音機是怎樣收臺的，網(wǎng)絡是怎樣運行的等等，這些無一例外都要用到物理知識。如在學過了浮力之后，可以讓學生燃放孔明燈，體會它的原理，注意觀察如何才能順利放飛。通過仔細觀察這些現(xiàn)象，再認真做一些有關實驗，這些物理知識就能較好的理解掌握。在做實驗時要有確定的器材、具體的方法和明確的目的，按規(guī)則進行操作，觀察引起發(fā)生變化的原因和條件，如實記錄數(shù)字，認真分析結(jié)果。作為教師要引導學生養(yǎng)成良好的實驗習慣，理解科學探究的過程，為以后的學習深造打下堅實的基礎。

二、要勤于思考，著重理解

業(yè)精于勤而荒于嬉。學習物理和學習其他學科同樣，也要貴在勤上，只有不斷了解掌握新知識，才會取得進步。要讓學生對每天所學的知識及時進行查漏補缺，并思考有沒有更好的方法去理解掌握它。為了使所學的知識記得更好，可以用“口袋書”的形式將其記在上面，做到隨時隨地翻看。同時，學習中不能只滿足于會背誦定義、條文，要力求理解，知道它的來龍去脈，有關知識有哪些，有什么重要意義，實際應用在哪些方面等等。教師在教學中應盡可能把這些“立體”的知識傳授給學生，以便于學生深刻領會教學內(nèi)容。例如講聲音的傳播，我先做實驗說明聲音需要氣體、固體、液體這些介質(zhì)傳播，不同介質(zhì)中的聲音傳播效果不同，讓學生有了感性認識；接著介紹一些介質(zhì)中的聲音傳播速度，并舉出事例讓學生體會練習，使學生從感性上升到理性來認識聲音的傳播；然后帶著學生到操場實際測量聲速，利用聲速測距離，把所學的知識用在日常生活中，這樣又從理性上升到實際應用，形成一個“立體”的知識網(wǎng)，學習的效果就會更好。在后來有關聲音傳播的考試中，學生都能取得較為理想的成績。通過教師和學生雙方的勤奮努力，想出各種方法來展現(xiàn)物理知識，就能夠加深對物理知識的理解。

三、要大力培養(yǎng)學習興趣

興趣是最好的老師。物理課本在開篇時就說，物理學是一門十分有趣的科學。初中階段學生的身心特點，決定了這個階段是各種興趣的培養(yǎng)和形成時期，但對興趣的長時期保持較難，只有反復加強才能長期保持?；蛟S一次不經(jīng)意的打擊，就可能使學生失去學物理的興趣，因此，在教學中要盡可能做到隨時隨地幫助學生解決物理問題。如一次性注射器、手電筒、飲料瓶、食品包裝袋等，都可以成為在課外進行物理實驗的器材，讓學生自己動手體會物理知識，會收到很好的效果。要多鼓勵學生自主探索有關的物理問題，如講了溫度之后，要求學生查找當?shù)氐淖罡吆妥畹蜏囟瘸霈F(xiàn)的時間及溫度值的高低。我不是自己查找后直接告訴答案，而是作為課外作業(yè)讓學生找出來，結(jié)果有的學生打電話去問氣象臺，有的學生去上網(wǎng)，有的學生去問地理教師等，通過學生主動進行探究，使其對科學探究的方法得以了解和加深，學習物理的興趣變得濃厚起來，這種興趣也容易長期得到保持。

四、要重視物理知識的應用

第7篇：聲速測量實驗范文

1. 將物理學史引入物理教學中，有助于激發(fā)學生學習物理的興趣如牛頓是舉世公認的偉大科學家，在將力學之前以專題講座的形式，介紹牛頓的生平及其科學研究歷程，從而消除了科學研究的神秘感，拉近了科學家與學生的距離，激勵他們把對科學家的崇拜轉(zhuǎn)化為刻苦學習的動力。物理學史中有許多科學家為真理獻身的動人事跡，如伽利略為宣傳哥白尼的日心說而被教會終身監(jiān)禁，利赫曼為引雷電而捐軀，居里夫人為研制放射性而作出了巨大的犧牲，法拉第舍棄榮華富貴，幾次拒絕接受封爵而甘“平民法拉第”，亞里士多德富有批判和懷疑精神等。這些科學家不畏艱險，不惜生命，不慕利祿，不怕權威，追求真理的高尚品質(zhì)，有利于培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度、獻身科學的探索精神，為以后的學習和研究打下良好的基礎。

2. 物理學史為教學中的思維訓練提供了廣闊的背景如，在長期的天文觀測中，人們發(fā)現(xiàn)天王星的軌道與理論計算有偏離，于是便猜想有一顆未知的行星在干擾天王星的運動。亞當斯和勒維烈分別根據(jù)萬有引力理論計算出這顆未知行星--海王星的軌道，并由天文學家加勒在指定位置觀察到?！坝霉P尖發(fā)現(xiàn)”海王星是演繹推理得多么精彩的實例！

奧斯特發(fā)現(xiàn)電流可以產(chǎn)生磁場，法拉第就從反面思考：“磁能不能產(chǎn)生電？”經(jīng)過10年的艱苦工作，法拉第終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應的規(guī)律。法拉第是靠“逆向思維”取得成功的?！笆兰o之交”一系列重大的發(fā)現(xiàn)（X射線、電子、放射性物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，普朗能量子假說、愛因斯坦狹義相對論和光量子說的提出……）引起了物理學深刻的革命，量子的力學和相對論的建立，充分說明了辯證思維中的真理的相對絕對律的正確性。

上述物理學史中的這些精彩實例，都可以作為學生思維訓練的參考。

3. 運用物理學史，寓科學美于物理教學之中 物理科學不僅揭示了美的本質(zhì)，更豐富了美的內(nèi)涵。物理規(guī)律本身是美妙和諧的，它符合審美的所有要求，反映了該領域所固有的審美內(nèi)容。物理教學中的美育任務，就是在傳授知識的同時，增強學生對科學的審美感受能力，同時豐富學生的理性積淀，以至創(chuàng)造美。

庫侖于18世紀通過實驗總結(jié)出來的關于點電荷間相互作用的規(guī)律，但他認為電與磁是完全不同的實體，這種觀點在當時得到了安培和托馬斯·楊的支持，但沒有說服丹麥物理學家奧斯特。奧斯特崇尚哲學，哲學中關于“美是表現(xiàn)在有限中的無限性”以及“美的要素是高于形式的普遍性”的思想對奧斯特有著無與倫比的魅力，他于1812年提出了電與磁之間存在著聯(lián)系，于1820年發(fā)現(xiàn)了磁針在通電導體附近轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，從而改變了一直連續(xù)兩個世紀電和磁截然無關的觀點，首次找到了電與磁的聯(lián)系，為電磁理論奠定了基礎。

第8篇：聲速測量實驗范文

關鍵詞：國家試點學院；中俄雙語；教材編寫；教學模式

雙語教學是將外語作為教學語言進行學科學習的教學模式，是培養(yǎng)復合型國際化人才最直接、有效的手段之一，但研究較多的是中英雙語的教學模式和教學方法。2011年以來，隨著國家教育部一批試點學院的建立，一些小語種的雙語教學出現(xiàn)了新的問題，本文以黑龍江大學中俄學院為例，研究普通物理實驗課中俄雙語教學的特點和實施方案，提出具體方法，同樣可以為其他小語種提供參考。

中俄W院是黑龍江大學與俄羅斯新西伯利亞國立大學按照國際一流學院發(fā)展理念與模式、聯(lián)合建立的以服務中俄戰(zhàn)略協(xié)作伙伴關系為宗旨、以培養(yǎng)對俄戰(zhàn)略性拔尖創(chuàng)新人才為目標的公辦全日制學院，2011年5月13日由黑龍江省教育廳批準成立。2011年10月經(jīng)國家教育體制改革領導小組批準成為全國首批17所試點學院之一，同時也是所有試點學院中唯一一所具有鮮明中外合作辦學特色的學院。2011年開始招生，共6個專業(yè)，其中化學工程與工藝、應用物理學、生物技術、數(shù)學與應用數(shù)學4個專業(yè)的本科生都有普通物理實驗這門課，因此，如何進行普通物理實驗課的課程安排，采用怎樣的雙語課程的教學模式，是我們需要深入探討的問題。

一、實驗課程內(nèi)容的設計

普通物理實驗課安排了力、熱學實驗，光學實驗，電磁學實驗和應用設計性實驗以及近代物理實驗。共開設4個學期。普通物理實驗課是學生進入學校后較早接觸到的實驗課，開設了6個基礎性實驗，如密度測量、示波器的使用和分光儀等，對于理工科來說，都是非?；A的實驗?；A性實驗側(cè)重培養(yǎng)學生的實驗興趣、基本實驗技能和基本數(shù)據(jù)分析處理方法，對每個專業(yè)的學生都有意義。還有選做實驗，如太陽能電池的使用、聲速測量和多普勒效應等，學生可以根據(jù)自己的專業(yè)和興趣愛好進行選擇。

應用設計性實驗，以學生為主體，老師負責指導、咨詢和啟發(fā)，學生獨立進行資料的收集，自己設計實驗步驟和實驗方案，最后提交實驗報告。已經(jīng)開設了二十幾個題目，如數(shù)字電表原理及萬用表設計、液體電導率測量等，供感興趣、有能力的學生選做。

近代物理實驗則是主要涉及原子物理、核檢測技術、微波技術、磁共振技術、真空技術、超聲成像技術等內(nèi)容，共十幾個實驗題目，通過實驗，學生可以了解每個實驗的原理、背景知識和在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中的應用。

二、雙語實驗講義的編寫

因為中俄學院的學生不僅需要掌握專業(yè)知識，還要學習俄語，并且大部分同學有獲得獎學金出國留學的機會，而在新西伯利亞大學學習則是全俄文環(huán)境，因此，有必要在國內(nèi)期間就開始了解相關知識的基礎詞匯、專業(yè)術語和常用儀器設備的專有名詞，好的實驗教材就是學生掌握常用儀器設備名稱和使用方法最好的工具書。因為實驗題目和儀器設備是已經(jīng)選定的，根本沒有對應的俄文教材，俄文版實驗講義只能結(jié)合具體的儀器設備和中文教材進行編寫，而實驗內(nèi)容涉及面廣，術語量大，俄語的表述方式和方法與中文又有很大不同，需要投入很大的人力、物力來完成。

在教材編寫過程中，主要工作是實驗題目相關的俄語物理學專業(yè)術語、儀器設備的俄語名稱、實驗相關基本原理的俄語闡述、實驗操作方法的俄語描述、數(shù)據(jù)分析及處理的俄語表達方式等。因此對雙語教材的編寫者提出了更高的要求――既要有專業(yè)知識，又要熟悉俄語的習慣，需要由專業(yè)人員和熟知俄語的人員共同努力來完成教材的編寫。

三、實驗室教學模式探討

（一）遞進式教學

根據(jù)學生的學習基礎，采取遞進式循序漸進地進行雙語教學模式，對于低年級的同學，安排的普通物理課可以采用中俄文互譯對照的教材，課堂上則采用中文為主俄文為輔的教學形式。而對于高年級的近代物理實驗課，學生的俄語水平有明顯提高，詞匯量也有了一定的積累，則可以嘗試全俄文教材，而課堂上采用中俄雙語交替教學的方式來進行。而設計性實驗則完全可以讓學生獨立完成資料的查找和實驗步驟的設計，最后形成俄文的實驗報告。

（二）分層次教學

中俄學院學生在讀期間均具有出國留學機會，由國家留學基金委會通過各種中俄合作項目提供一定數(shù)量的全額獎學金資助，并根據(jù)新西伯利亞國立大學和黑龍江大學合作辦學協(xié)議、由中俄學院學術委員會擇優(yōu)選拔本科生赴俄留學。因此，在設計實驗課程時，也要充分考慮學生俄語水平的差異和未來發(fā)展方向的不同，可以設計一些內(nèi)容相對簡單的實驗題目作為基礎實驗，4個專業(yè)都可以進行，還可以有針對性地安排部分具有明顯專業(yè)差異的實驗內(nèi)容，讓學生來選擇。

（三）混合型與半外型相結(jié)合

混合型雙語教學模式采用外文教材，教師采用外語和漢語交錯進行授課。半外型模式屬于雙語教學的一種較初級形式，即采用外文教材，用漢語授課，而我們可以采用一個基礎性實驗運用混合型教學模式，而其余實驗采用半外型模式，這樣，既能使學生對所涉及的實驗儀器和實驗原理的俄文表達方式有一定的了解，也不必增加額外的預習時間。

（四）以點帶面，學研結(jié)合

先選擇一個基礎性實驗進行雙語教學，教材采用雙語形式，若是所有的實驗題目都開展中俄雙語教學，仍然存在很多問題，比如：任課教師數(shù)量不足，我院掌握俄語的教師本身就不多，能夠開展雙語實驗教學的教師數(shù)量就更有限，因此，大面積地開展中俄雙語教學存在很大的困難，我們不妨先從一個基礎性實驗開始，采用“學研結(jié)合”的方式，一邊進行教學實踐，同時，也不斷地總結(jié)經(jīng)驗，逐步完善教材和教學方法，能夠越來越精，也越來越好，為中俄雙語實驗教學提供好的參考。

（五）討論式教學

筆者在俄羅斯遠東國立大學訪學期間，進入實驗室，對俄羅斯基礎物理實驗的教學模式進行了觀摩，很有體會。俄羅斯的本科生進入實驗室，兩個人一個題目，共用一套設備，每個實驗都有很多預習問題，有的涉及實驗原理，有的是公式的推導，有的則是設計實驗步驟等等，稍微復雜一點的實驗，實驗開始前的問題就有十幾個，學生能夠很好地回答出問題后，老師才允許做實驗。而且，整個課程進行中，老師幾乎不講原理，所有的實驗工作，都是學生之間，學生與老師之間討論得到的結(jié)果。反^我們國內(nèi)目前的實驗課，多數(shù)都是老師苦口婆心地講，學生每一步都是按要求完成，很少進行深入的思考，毫不夸張地說，很多學生做完實驗也不知道自己做的什么，為什么這樣做，學生沒有學習的主動性，也沒有創(chuàng)造性。因此，有必要多給學生一些獨立思考的機會，不動腦就不能完成實驗，強迫學生思考，激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維。因此，建議實驗教材可以寫得簡單點，關鍵性的問題，讓學生通過資料收集的方式自己查找，在進入實驗室之前就已經(jīng)對實驗內(nèi)容和實驗方法有一定的認識，實驗室只是提供了一個驗證結(jié)果的實驗環(huán)境和平臺。當然，這樣的教學模式也需要逐步推廣，可以先小范圍試行，也可以選一些實驗題目作為選修課，相信這樣的實驗課，會讓學生學到更多的知識。

四、雙語教學對任課教師的要求

雙語教學的教師應具備較高的語言能力，特別是語言表述能力。語言是教學過程中知識傳播的載體，而語言能力對雙語環(huán)境中的教師至關重要。教師俄語水平低下或表達能力有限，直接影響到教學效果的好壞和學生認知過程的順利與否。為此，教師一方面要不斷提高俄語基本功，另一方面要錘煉表述能力，以通俗易懂的語言組織課堂，傳授知識，闡明觀點，啟發(fā)學生。實行雙語教學的教師還必須理解和掌握所學學科的知識和技能、了解學科發(fā)展動向和最新研究成果、熟悉該學科和其他專業(yè)的內(nèi)在聯(lián)系。只有教師具備過硬的專業(yè)知識技能，才能保證學生的學習效果。最后，教師還應具有較強的邏輯思維能力。在使用俄語講解知識的過程中，教師應對該門課程的知識、與其他科目的邏輯關系、俄語思維的邏輯性以及理論聯(lián)系實踐的切合點等有準確把握，這樣才能與他科目教師協(xié)調(diào)一致，提高學生的整體專業(yè)素養(yǎng)。

因此，如果學校有條件，可以派出一部分教師到俄羅斯的相關學院進行學習和交流，既能對俄羅斯的課堂教學模式有一定的了解，還能進一步提高俄語水平。雙語教學備課時間長，需要投入大量的時間和精力，因此，學?？蛇m當制定激勵政策，如雙語教學工作量是正常工作量的1.5～2倍，開展雙語教學的老師在職稱晉升中優(yōu)先考慮等。

總之，中俄學院普通物理實驗開展中俄雙語教學事不宜遲，相信本文提出的一些想法能夠給即將開展雙語教學的教師一定的幫助和啟示。

參考文獻：

[1]安利民.分層次、開放性、團隊化的實驗教學模式構(gòu)建[J].黑龍江教育（高教研究與評估）， 2014，（7）.