- 陈奎孚;姚海蓉;张云文;
摩擦力既是教学的重点,更是教学的难点,特别是静摩擦力的指向确定。文章将阐述:首先,就计算而言,静摩擦力指向确定并不重要;第二,对某些动力学问题,主动力信息不足以唯一确定静摩擦力的指向;第三,在某些特殊条件下,比如运动刚体的质心位于接触点法线上(如无质量偏心的圆柱),由主动力向撞击中心简化的主矩可确定静摩擦力的指向;第四,把摩擦面假想成光滑面后,运动刚体在接触点的切向加速度指向与该处静摩擦力的指向相反。
2018年04期 v.28;No.186 39-44页 [查看摘要][在线阅读][下载 267K] [下载次数：125 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：33 ] - 陈奎孚;姚海蓉;张云文;
摩擦力既是教学的重点,更是教学的难点,特别是静摩擦力的指向确定。文章将阐述:首先,就计算而言,静摩擦力指向确定并不重要;第二,对某些动力学问题,主动力信息不足以唯一确定静摩擦力的指向;第三,在某些特殊条件下,比如运动刚体的质心位于接触点法线上(如无质量偏心的圆柱),由主动力向撞击中心简化的主矩可确定静摩擦力的指向;第四,把摩擦面假想成光滑面后,运动刚体在接触点的切向加速度指向与该处静摩擦力的指向相反。
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大学物理作为高等院校理工科普遍开设的一门重要基础课程,不仅是培养和提高学生综合素质的重要方法,而且是培养学生科学思维和创新能力的有效途径。随着越来越多的大学物理MOOC的呈现,针对教学质量的评价和教学效果的提高,建构一个科学合理的教学质量评价指标体系至关重要。现从大学物理课程教学基本要求出发,在借鉴国内外网络教学评价指标体系的基础上,以教学活动及其影响因素为基础,设计教学质量评价指标,并结合15位大学物理MOOC教学领域专家经验,采用层次分析法建构大学物理MOOC教学质量评价指标体系。
2018年04期 v.28;No.186 45-56页 [查看摘要][在线阅读][下载 315K] [下载次数：1091 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：43 ] |[阅读次数：31 ] - 赵馨蕊;周雨青;瞿林云;张志红;
大学物理作为高等院校理工科普遍开设的一门重要基础课程,不仅是培养和提高学生综合素质的重要方法,而且是培养学生科学思维和创新能力的有效途径。随着越来越多的大学物理MOOC的呈现,针对教学质量的评价和教学效果的提高,建构一个科学合理的教学质量评价指标体系至关重要。现从大学物理课程教学基本要求出发,在借鉴国内外网络教学评价指标体系的基础上,以教学活动及其影响因素为基础,设计教学质量评价指标,并结合15位大学物理MOOC教学领域专家经验,采用层次分析法建构大学物理MOOC教学质量评价指标体系。
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近年来,我们在华中师范大学的大学物理课堂尝试了基于Clicker的交互式、同伴讨论课堂教学模式。为了评判教学的合理性和有效性,进而为教师改善教学并构建高效研讨课堂提供建议,我们开展了这项研究。通过设计的师生教学行为分析系统(ASTSIB),对基于Clicker的大学物理研讨式教学进行了定量分析,并根据个案对学生的认知转变进行了定性研究。研究结果表明:基于Clicker的大学物理研讨课可以支持以独立性和自我调控为目标的元认知技能发展,不仅促进了学生的思维活动,而且还提高了他们对传统问题的解决能力。
2018年04期 v.28;No.186 57-64页 [查看摘要][在线阅读][下载 417K] [下载次数：170 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：29 ] - 李成丰;黄致新;赵晓鱼;何苗嫚;
近年来,我们在华中师范大学的大学物理课堂尝试了基于Clicker的交互式、同伴讨论课堂教学模式。为了评判教学的合理性和有效性,进而为教师改善教学并构建高效研讨课堂提供建议,我们开展了这项研究。通过设计的师生教学行为分析系统(ASTSIB),对基于Clicker的大学物理研讨式教学进行了定量分析,并根据个案对学生的认知转变进行了定性研究。研究结果表明:基于Clicker的大学物理研讨课可以支持以独立性和自我调控为目标的元认知技能发展,不仅促进了学生的思维活动,而且还提高了他们对传统问题的解决能力。
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三维直流场"虫洞"借用了时空"虫洞"的概念。笔者首先基于拉普拉斯方程,利用球坐标系下分离变量的方法,推导了三维均匀直流场中的球形隐形装置及其电导率参数;在此基础上,通过在该隐形装置中沿着垂直于外加电场方向的直径挖出一条"隧道",并在该"隧道"中填充各向异性电导率的材料,得到了外加电场探测不到的"虫洞"模型。最后,根据上述理论结果,利用COMSOL软件仿真实现了能够传输直流场的隐形通道,进一步从模型仿真上验证了该理论的正确性。
2018年04期 v.28;No.186 65-69页 [查看摘要][在线阅读][下载 324K] [下载次数：155 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：32 ] - 曹剑锋;张龙飞;靳天玉;梅中磊;
三维直流场"虫洞"借用了时空"虫洞"的概念。笔者首先基于拉普拉斯方程,利用球坐标系下分离变量的方法,推导了三维均匀直流场中的球形隐形装置及其电导率参数;在此基础上,通过在该隐形装置中沿着垂直于外加电场方向的直径挖出一条"隧道",并在该"隧道"中填充各向异性电导率的材料,得到了外加电场探测不到的"虫洞"模型。最后,根据上述理论结果,利用COMSOL软件仿真实现了能够传输直流场的隐形通道,进一步从模型仿真上验证了该理论的正确性。
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惯性系具有任何方向时空平移不变的特性,依据相对性原理和时空平移不变性证明了惯性系的时空变换必须为线性变换。相对性原理是时空线性变换的真正必要条件。除了伽利略变换具有"同时的绝对性"外,其他的惯性系时空线性变换都具有"同时的相对性"。利用相对性原理还可以证明惯性系的速度变换为单调递增函数,因而存在速度上限,惯性系除伽利略变换外的所有时空线性变换都存在有限的极限速度,进而可以推导出惯性系时空线性变换的广义洛伦兹变换公式,其中极限速度的取值可以通过实验来确定。
2018年04期 v.28;No.186 70-77页 [查看摘要][在线阅读][下载 178K] [下载次数：222 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：36 ] - 戴又善;
惯性系具有任何方向时空平移不变的特性,依据相对性原理和时空平移不变性证明了惯性系的时空变换必须为线性变换。相对性原理是时空线性变换的真正必要条件。除了伽利略变换具有"同时的绝对性"外,其他的惯性系时空线性变换都具有"同时的相对性"。利用相对性原理还可以证明惯性系的速度变换为单调递增函数,因而存在速度上限,惯性系除伽利略变换外的所有时空线性变换都存在有限的极限速度,进而可以推导出惯性系时空线性变换的广义洛伦兹变换公式,其中极限速度的取值可以通过实验来确定。
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由于学时少、内容特点等因素,大学物理课程中"波函数"的教学一直是"教""学"双方的难点;帮助学生理解"波函数和薛定谔方程是量子力学状态描述的手段",是量子力学必须要解决的问题。教学实践表明,从内容结构设计,教学方法选择,问题情境创设3方面构建的课堂模式,可以有效突破教学难点,帮助学生建立完善的知识结构,增强其方法意识,培养其科学思维和创新精神;为"量子物理"部分的教学,在设计上提供一种思路。
2018年04期 v.28;No.186 78-82+87页 [查看摘要][在线阅读][下载 229K] [下载次数：731 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：5 ] |[阅读次数：32 ] - 李爱君;周战荣;朱海飞;
由于学时少、内容特点等因素,大学物理课程中"波函数"的教学一直是"教""学"双方的难点;帮助学生理解"波函数和薛定谔方程是量子力学状态描述的手段",是量子力学必须要解决的问题。教学实践表明,从内容结构设计,教学方法选择,问题情境创设3方面构建的课堂模式,可以有效突破教学难点,帮助学生建立完善的知识结构,增强其方法意识,培养其科学思维和创新精神;为"量子物理"部分的教学,在设计上提供一种思路。
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为了更加清楚地演示决定刚体转动惯量大小的因素,我们设计了刚体转动惯量综合演示仪。该装置不仅可以演示而且可以测量几种典型形状的刚体在斜面上纯滚动的快慢,进而还可以改变杆状刚体的转轴位置来观察刚体转动快慢的变化。通过实验验证了刚体在斜面上纯滚动的时间与转动惯量的关系及转轴位置对转动惯量的影响,有助于学生对转动惯量的理解与学习。
2018年04期 v.28;No.186 83-87页 [查看摘要][在线阅读][下载 201K] [下载次数：249 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：33 ] - 杨振清;宋顶;林春丹;周广刚;张万松;
为了更加清楚地演示决定刚体转动惯量大小的因素,我们设计了刚体转动惯量综合演示仪。该装置不仅可以演示而且可以测量几种典型形状的刚体在斜面上纯滚动的快慢,进而还可以改变杆状刚体的转轴位置来观察刚体转动快慢的变化。通过实验验证了刚体在斜面上纯滚动的时间与转动惯量的关系及转轴位置对转动惯量的影响,有助于学生对转动惯量的理解与学习。
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从等间距线性数据所确定的直线出发,对算术平均值法、逐差法和最小二乘法的基本假设进行了研究。针对计算等间距线性数据最佳斜率的3种不同方法,基于直线加权平均研究了每条可能直线的权重。界定了3种不同类型的线性数据:在最小间隔等权的线性数据中,经算术平均值法计算的斜率,标准误差最小;在点等权的线性数据中,通过最小二乘法所得到的斜率,标准误差最小;最后,从不等精度的假设出发,定量给出了逐差法最优的条件:测量数据的标准误差由两端向中间区域以1/2次方的速率衰减。
2018年04期 v.28;No.186 88-92+95页 [查看摘要][在线阅读][下载 187K] [下载次数：301 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：4 ] |[阅读次数：39 ] - 魏同利;郝惠娟;马天鹏;
从等间距线性数据所确定的直线出发,对算术平均值法、逐差法和最小二乘法的基本假设进行了研究。针对计算等间距线性数据最佳斜率的3种不同方法,基于直线加权平均研究了每条可能直线的权重。界定了3种不同类型的线性数据:在最小间隔等权的线性数据中,经算术平均值法计算的斜率,标准误差最小;在点等权的线性数据中,通过最小二乘法所得到的斜率,标准误差最小;最后,从不等精度的假设出发,定量给出了逐差法最优的条件:测量数据的标准误差由两端向中间区域以1/2次方的速率衰减。
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文章讨论了稳定涡旋电场中导体上的电压,并把该情况及似稳条件下导体上的"电势""电势差"与静电场中的电势、电势差作了比较。结果表明:只存在静电场时,空间任一点有电势,两点间有电势差;存在涡旋电场时,在一定条件下(形成稳定电流和似稳电流时)在导体上任一点有"电势",只在由导体连接着的两点间有"电势差"。当电场为只由静止电荷激发的静电场,此时一点的电势值与零点的选择有关,电势差与积分路径无关;当电场为全部电场中的保守场部分时,一点的"电势"值与零点的选择有关,"电势差"也与积分路径无关。两点间电势差是单位正电荷从一点经任意路径移到另一点时外力克服静电力做功而增加的能量,即静电势能的增量;两点间"电势差"是单位正电荷从导体上任一点经导体中的任意路径移到另一点时获得的(净)能量,是外力所做的功除去发热剩余的能量,数值上恰等于静电势能的增量。
2018年04期 v.28;No.186 93-95页 [查看摘要][在线阅读][下载 104K] [下载次数：355 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：37 ] - 张玉红;柳辉;张素花;袁常青;
文章讨论了稳定涡旋电场中导体上的电压,并把该情况及似稳条件下导体上的"电势""电势差"与静电场中的电势、电势差作了比较。结果表明:只存在静电场时,空间任一点有电势,两点间有电势差;存在涡旋电场时,在一定条件下(形成稳定电流和似稳电流时)在导体上任一点有"电势",只在由导体连接着的两点间有"电势差"。当电场为只由静止电荷激发的静电场,此时一点的电势值与零点的选择有关,电势差与积分路径无关;当电场为全部电场中的保守场部分时,一点的"电势"值与零点的选择有关,"电势差"也与积分路径无关。两点间电势差是单位正电荷从一点经任意路径移到另一点时外力克服静电力做功而增加的能量,即静电势能的增量;两点间"电势差"是单位正电荷从导体上任一点经导体中的任意路径移到另一点时获得的(净)能量,是外力所做的功除去发热剩余的能量,数值上恰等于静电势能的增量。
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- 宝日玛;苗昕扬;陈星洁;王丹丹;詹洪磊;邢颖;
在针对油气产品进行太赫兹光谱测试时,仪器自身误差会为测试结果来较大影响,对实验仪器进行误差标定对油气资源的太赫兹表征与精细评价具有重要意义。对油气太赫兹光谱仪进行了误差测试与分析,并对由延迟线的移动速度导致的测试误差进行了标定。结果表明,较小的移动速度有利于减少时域波形在延迟时间与幅值上产生的偏差及浮动,其中4组实验延迟时间的浮动范围分别为0.1Ps、0.1Ps、0.2Ps和0.4Ps;信号幅值的误差率分别为2.26%,1.76%,3.28%及5.82%。此外,在测试过程中,激光器输出功率的变化也是主要的误差来源,在测试时通过实时记录输出功率并根据线性关系进行归一化处理可降低这一误差。
2018年04期 v.28;No.186 96-101页 [查看摘要][在线阅读][下载 410K] [下载次数：133 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：4 ] |[阅读次数：42 ] - 宝日玛;苗昕扬;陈星洁;王丹丹;詹洪磊;邢颖;
在针对油气产品进行太赫兹光谱测试时,仪器自身误差会为测试结果来较大影响,对实验仪器进行误差标定对油气资源的太赫兹表征与精细评价具有重要意义。对油气太赫兹光谱仪进行了误差测试与分析,并对由延迟线的移动速度导致的测试误差进行了标定。结果表明,较小的移动速度有利于减少时域波形在延迟时间与幅值上产生的偏差及浮动,其中4组实验延迟时间的浮动范围分别为0.1Ps、0.1Ps、0.2Ps和0.4Ps;信号幅值的误差率分别为2.26%,1.76%,3.28%及5.82%。此外,在测试过程中,激光器输出功率的变化也是主要的误差来源,在测试时通过实时记录输出功率并根据线性关系进行归一化处理可降低这一误差。
2018年04期 v.28;No.186 96-101页 [查看摘要][在线阅读][下载 410K] [下载次数：133 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：4 ] |[阅读次数：35 ] - 潘志民;金凯文;潘开欣;
本文为作者在指导学生研究第30届国际青年物理学家锦标赛第3题的基础上写成。首先根据几何光学和波动光学相关概念和原理,从理论层面对"小孔成像"做了物理学研究,比较全面地探讨了小孔孔径、物距和像距等参数对成像大小、清晰度和亮度等方面影响。在此基础上通过现代光学实验技术对这些参数进行定量研究,并借助于ToupView和Tracker等计算机软件对实验数据进行了详细的分析。发现理论和实验具有良好的自洽性,从而得到了一般性结论。
2018年04期 v.28;No.186 102-108页 [查看摘要][在线阅读][下载 740K] [下载次数：896 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：11 ] |[阅读次数：33 ] - 潘志民;金凯文;潘开欣;
本文为作者在指导学生研究第30届国际青年物理学家锦标赛第3题的基础上写成。首先根据几何光学和波动光学相关概念和原理,从理论层面对"小孔成像"做了物理学研究,比较全面地探讨了小孔孔径、物距和像距等参数对成像大小、清晰度和亮度等方面影响。在此基础上通过现代光学实验技术对这些参数进行定量研究,并借助于ToupView和Tracker等计算机软件对实验数据进行了详细的分析。发现理论和实验具有良好的自洽性,从而得到了一般性结论。
2018年04期 v.28;No.186 102-108页 [查看摘要][在线阅读][下载 740K] [下载次数：896 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：11 ] |[阅读次数：34 ] - 马超群;陈国庆;
本文主要介绍了法布里-珀罗干涉仪和迈克耳孙干涉仪的基本特性和工作原理。在此基础上,详述了在光学频率标准的研制过程中,使用高稳定度、高精细度的法布里-珀罗干涉仪获取超稳的本地振荡激光的方法;以及利用基于光纤迈克耳孙干涉仪的光纤相位噪声提取和抑制技术,实现光学频率标准的远程精密传输的方法。本文内容有助于加深学生对法布里-珀罗干涉仪和迈克耳孙干涉仪基础知识的理解,了解科学研究发展前沿,激发学生的学习兴趣和科研热情。
2018年04期 v.28;No.186 109-112+118页 [查看摘要][在线阅读][下载 192K] [下载次数：590 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：34 ] - 马超群;陈国庆;
本文主要介绍了法布里-珀罗干涉仪和迈克耳孙干涉仪的基本特性和工作原理。在此基础上,详述了在光学频率标准的研制过程中,使用高稳定度、高精细度的法布里-珀罗干涉仪获取超稳的本地振荡激光的方法;以及利用基于光纤迈克耳孙干涉仪的光纤相位噪声提取和抑制技术,实现光学频率标准的远程精密传输的方法。本文内容有助于加深学生对法布里-珀罗干涉仪和迈克耳孙干涉仪基础知识的理解,了解科学研究发展前沿,激发学生的学习兴趣和科研热情。
2018年04期 v.28;No.186 109-112+118页 [查看摘要][在线阅读][下载 192K] [下载次数：590 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：33 ] - 胡泊;孙祖尧;崔凤全;
本文从工科大学生现有的光学物理基础知识出发,拓展了大学物理教学内容,逐渐深入介绍现代科研纳米观测技术、X射线衍射以及电子衍射。以开阔大学物理教师的视野为目的,为大学物理教师更好地理解电子衍射和X射线衍射提供帮助,利于教师在工科大学生现有物理基础上讲解现代科研技术,把前沿科学引入教学,把最新科技知识传授给学生,也可以实现教学与科研相长,培养学生的科学素养,以此让学生认识到基础物理学习的重要性,认识到大学物理是前沿科学研究和工程技术的基础,从而提高学生学习大学物理的兴趣。
2018年04期 v.28;No.186 113-118页 [查看摘要][在线阅读][下载 265K] [下载次数：453 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：4 ] |[阅读次数：58 ] - 胡泊;孙祖尧;崔凤全;
本文从工科大学生现有的光学物理基础知识出发,拓展了大学物理教学内容,逐渐深入介绍现代科研纳米观测技术、X射线衍射以及电子衍射。以开阔大学物理教师的视野为目的,为大学物理教师更好地理解电子衍射和X射线衍射提供帮助,利于教师在工科大学生现有物理基础上讲解现代科研技术,把前沿科学引入教学,把最新科技知识传授给学生,也可以实现教学与科研相长,培养学生的科学素养,以此让学生认识到基础物理学习的重要性,认识到大学物理是前沿科学研究和工程技术的基础,从而提高学生学习大学物理的兴趣。
2018年04期 v.28;No.186 113-118页 [查看摘要][在线阅读][下载 265K] [下载次数：453 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：4 ] |[阅读次数：32 ] - 侯军渝;方子林;唐芳;
利用光弹法获取非晶体各向同性圆片对径受压时的偏振干涉图,通过Matlab对手机采集的等差线图像进行滤波,借助PS对CCD记录的等倾线图像进行边缘锐化等算法处理。最后再使用Matlab完成后续数据提取,进行插值拟合,定量计算了规则薄圆片在不同对径压力下的内应力分布,并与弹性力学解的理论值进行对比。结果表明,该方法通过利用实验室普及的软硬件,得到的材料内应力分布能够准确反映各向同性对径受压圆盘内部应力变化规律,且对径压力越大,与理论值的偏差越小。提及的等差线、等倾线图像处理方法同样适用于其他形状的样品。
2018年04期 v.28;No.186 119-124+129页 [查看摘要][在线阅读][下载 332K] [下载次数：517 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：5 ] |[阅读次数：44 ] - 侯军渝;方子林;唐芳;
利用光弹法获取非晶体各向同性圆片对径受压时的偏振干涉图,通过Matlab对手机采集的等差线图像进行滤波,借助PS对CCD记录的等倾线图像进行边缘锐化等算法处理。最后再使用Matlab完成后续数据提取,进行插值拟合,定量计算了规则薄圆片在不同对径压力下的内应力分布,并与弹性力学解的理论值进行对比。结果表明,该方法通过利用实验室普及的软硬件,得到的材料内应力分布能够准确反映各向同性对径受压圆盘内部应力变化规律,且对径压力越大,与理论值的偏差越小。提及的等差线、等倾线图像处理方法同样适用于其他形状的样品。
2018年04期 v.28;No.186 119-124+129页 [查看摘要][在线阅读][下载 332K] [下载次数：517 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：5 ] |[阅读次数：39 ] - 石明吉;罗鹏晖;陈兰莉;宋金璠;刘斌;
针对大学物理实验中传统声速测量装置存在的缺陷,利用单片机、上位机、步进电机、步进电机驱动器、采集卡、有效值检测模块和相位差测量模块等搭建了全自动声速测量系统,利用驻波法和相位比较法对声速进行测量。实验结果表明:新型声速测量仪克服了传统测量装置的缺陷,获得的数据量更大,包含的信息也更丰富。由于次峰的影响,常用的逐差法、最小二乘法和Origin软件线性拟合法处理数据误差较大,不能满足实验需要,有必要寻找声速测量数据处理的新方法。为排除次峰的影响,考虑到声速测量数据中极值点的出现具有空间周期性,利用傅里叶变换处理数据得到待测信号的空间频谱图,确定了声波的波长并计算出声速。数据处理结果表明:由于傅里叶变换排除了次峰干扰,使驻波法和相位比较法测量声速的相对误差分别从1.6%和1.0%减小为0.71%和0.41%,比传统方法更适合于处理声速测量数据;此外,从另一个角度证明次频共振现象是形成次峰的重要原因。
2018年04期 v.28;No.186 125-129页 [查看摘要][在线阅读][下载 213K] [下载次数：245 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：31 ] - 石明吉;罗鹏晖;陈兰莉;宋金璠;刘斌;
针对大学物理实验中传统声速测量装置存在的缺陷,利用单片机、上位机、步进电机、步进电机驱动器、采集卡、有效值检测模块和相位差测量模块等搭建了全自动声速测量系统,利用驻波法和相位比较法对声速进行测量。实验结果表明:新型声速测量仪克服了传统测量装置的缺陷,获得的数据量更大,包含的信息也更丰富。由于次峰的影响,常用的逐差法、最小二乘法和Origin软件线性拟合法处理数据误差较大,不能满足实验需要,有必要寻找声速测量数据处理的新方法。为排除次峰的影响,考虑到声速测量数据中极值点的出现具有空间周期性,利用傅里叶变换处理数据得到待测信号的空间频谱图,确定了声波的波长并计算出声速。数据处理结果表明:由于傅里叶变换排除了次峰干扰,使驻波法和相位比较法测量声速的相对误差分别从1.6%和1.0%减小为0.71%和0.41%,比传统方法更适合于处理声速测量数据;此外,从另一个角度证明次频共振现象是形成次峰的重要原因。
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