刘半农到北大后，自知资历浅，所以十分勤奋，讲课很受学生欢迎，创作也十分活跃，但在北大这个学院派占统治地位的地方，像他这样一个连中学都没有毕业的大学教授依然被一些人视为“下里巴人”，对他能否胜任教学工作常常表示怀疑。一次在《新青年》编委组成人选上，胡适就直接提到了人选的学历问题，这对刘半农无疑是一个很大的刺激。同时，刘半农在上海滩染上的才子气，包括衣着打扮等做派也遭到一些人的诟病。鲁迅后来在《忆刘半农君》中也指出：“那些人批评他的为人，是：浅。”“但这些背后的批评，大约是很伤了半农的心，他的到法国留学，我疑心大半就为此。”
都说愤怒出诗人，对于刘半农则是发奋读博士。在蔡元培的支持下，刘半农考上了官费赴英留学的资格。1920年2月7日携夫人朱惠和女儿小蕙自上海启程，乘坐日本货轮“贺茂丸”赴英留学。
当时伦敦生活费昂贵，一家三口仅靠他一个人的官费生活十分拮据。半年后，又生下一对龙凤胎，刘半农因地取名，把“伦敦”一拆为二，男孩先生名育伦，女孩后生名育敦。家里又多了两张嘴，经济压力更大了，穷得连摇篮都买不起，只好把从国内带去的柳条包拆成两截，做成两个简易的摇篮。穷则思变，听朋友说法国国家图书馆藏书丰富，生活费用也比英国便宜，于是1921年6月全家迁居法国，转入巴黎大学学习。
巴黎的生活费虽比伦敦便宜，但对一个仅靠官费养活五口之家的人来说也实属不易。在给友人信中，刘半农这样写道：“我近来的情形，真是不得了！天天闹的是断炊……留学费也欠了数个月不发……我身间有几个钱时，便买只面包吃吃，没了便算。”穷且益坚，刘半农出国时本来准备研究文学和语言学的，到了国外才知道鱼与熊掌不可兼得，于是忙把文学舍去，专攻语言学。经过一段时间的摸索，决定专攻实验语音学。出国前，刘半农有一个宏大理想，希望从理论上弄清从齐梁以来沈约等人提出的四声原理。此前国人一直知其然不知其所以然。他决心揭开这个千古之谜。巴黎的名胜古迹，他无暇顾及，塞纳河风光他无意欣赏，他几乎把所有的时间都花在了巴黎图书馆里。业余时间，他还得给国内杂志翻译写稿，挣钱养家。他的《扬鞭集》、《瓦釜集》中许多作品都写于这一时期。
实验语音学需要一些记音仪器，记音仪器不仅价贵且不好购买，于是他就自己动手，从废旧市场买来各种材料自己组装。凭着顽强的毅力，他硬是发明了研究语音学必需的仪器音高推算尺和音鼓。法国的博士学位一向要求极严，没有过硬的高水平论文想都别想，所以他一点也不敢马虎。所有的语音实验都一丝不苟，为了用科学的方法测验中国语音的有关数据，光是一篇两百多字的文章，就用了三个月的时间！经过三年的努力，他终于完成了《汉语字音实验录》，首次对四声原理做出了科学的论述：指出决定汉语四声的主要因素是高低。1924年冬天，刘半农终于通过了巴黎大学的各项预试科目，获得了参加国家博士考试的资格。
1925年3月17日是刘半农参加博士学位答辩的日子。这一天，全家人早早地起来了，朱惠给全家准备了丰盛的早餐，又给三个孩子穿上了最漂亮的衣服。赵元任一家和蔡元培夫妇也前来助阵。考场设在阶梯教室，台上坐了一排身穿着深黑色长袍、肩披彩色绶带的巴黎语音学专家。考试分两场，上午口试，接受教授专家的提问；下午做实验示范演示。答辩一共进行了七个小时，最后专家组宣布：“刘先生做了一番惊人的科学工作，经过认真的讨论以后，我们一致认为应该授予他国家博士学位！”一位青年教师给刘半农戴上了圆形的博士帽。仪式结束，刘半农从台上走下来时，已经精疲力竭，几乎被人扶着走了出去。
刘半农的博士论文于1925年获得康士坦丁·伏而内语言学专奖，因成绩突出，刘半农还被吸收为巴黎语言学会的会员。这是中国人乃至亚洲人第一次获得这种法国国家博士学位，刘半农对此十分自得，经常得意地称自己是“国家博士”。寒窗苦读，总算有了扬眉吐气的一天。
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