超聲光柵測聲速實驗報告

1、. 西安理工大學實驗報告成績課程名稱： 普通物理實驗 實驗日期：2011年4月7日交報告日期：2011年4月14日報告退發(fā)： （訂正、重做）教師審批簽字：專業(yè)班號： 應(yīng)物091 組別： 2 姓名： 趙汝雙 學號： 3090831033 實驗名稱：超聲光柵測液體中的聲速實驗?zāi)康?. 了解超聲光柵產(chǎn)生的原理。2. 了解聲波如何對光信號進行調(diào)制3. 通過對液體（非電解質(zhì)溶液）中的聲速的測定，加深對其中聲學和光學物理概念的理解。實驗原理1. 超聲光柵 光波在介質(zhì)中傳播時被超聲衍射的現(xiàn)象，稱為超聲致光衍射（亦稱聲光效應(yīng)）。超聲波作為一種縱波在液體中傳播時，超聲波的聲壓使液體分子產(chǎn)生周期性變化，促使液體的

2、折射率也相應(yīng)的作周期性變化，形成疏密波。此時如有平行單色光沿垂直超聲波方向通過這疏密相間的液體時，就會被衍射，這一作用，類似于光柵，所以叫超聲光柵。超聲波傳播時，如前進波被一個平面反射，會反向傳播。在一定條件下前進波與反射波可以形成駐波。由于駐波小振幅可以達到單一行波的兩倍，加劇了波源和和反射面之間的的疏密程度，某時刻，駐波的任一波節(jié)兩邊的質(zhì)點都涌向這一點，使該節(jié)點附近形成密集區(qū)，而相鄰波節(jié)處為質(zhì)點稀疏處；半個周期后，這個節(jié)點附近的質(zhì)點向兩邊散開形成稀疏區(qū)，而相鄰波節(jié)處變?yōu)槊芗瘏^(qū)。 在這些駐波中，稀疏區(qū)使液體的折射率減小，而壓縮作用使液體折射率增加，在距離等于波長的兩點，液體的密度相同，折射率

3、也相等，如圖（）所示。圖（）超聲光柵冊液體中的聲速如圖()所示，在透明介質(zhì)中，有一束超聲波沿方向傳播，另一束平行光垂直于超聲波傳播方向(方向)入射到介質(zhì)中，當光波從聲束區(qū)中出射時，就會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。圖實際上由于聲波是彈性縱波，它的存在會使介質(zhì)(如純水)密度在時間和空間上發(fā)生周期性變化如圖(a)，即 （）式中：z是沿聲波傳播方向的空間坐標，是t時刻z處的介質(zhì)密度，為沒有超聲波存在時的介質(zhì)密度，叫是超聲波的角頻率，A是超聲波波長，是密度變化的幅度。因此介質(zhì)的折射率隨之發(fā)生相應(yīng)變化，即 （）式中：為平均折射率，為折射率變化的幅度?？紤]到光在液體中的傳播速度()遠大于聲波的傳播速度()，可以認為在液體

4、中，由超聲波所形成的疏密周期性分布，在光波通過液體的這段時間內(nèi)是不隨時間改變的，因此，液體的折射率僅隨位置z而改變?nèi)鐖D（），即 （）由于液體的折射率在空間有這樣的周期分布，當光束沿垂直于聲波方向通過液體后，光波波陣面上不同部位經(jīng)歷了不同的光程，波陣面上各點的位相由下式給出： （）式中：L是聲速寬度；是光波角頻率；c是光速。通過液體壓縮區(qū)的光波波陣面將落后于通過稀疏區(qū)的波陣面。原來的平面波陣面變得折皺了，其折皺情況由n(z)決定，見圖可見載有超聲波的液體可以看成一個位相光柵，光柵常數(shù)等于超聲波波長。圖聲光衍射的分類（1）當L(為真空中光波波長)時，就會產(chǎn)生對稱于零級的多級衍射，即拉曼奈斯(Ram

5、an-NRth)衍射，和平面光柵的衍射幾乎無區(qū)別，滿足下式的衍射光均在衍射角于的方向上產(chǎn)生極大光強：（）（）（2）當L時，產(chǎn)生布拉格(Bragg)衍射，聲光介質(zhì)相當于一個體光柵，其衍射光強只集中在滿足布拉格公式()的一級衍射方向，且級不同時存在。實驗裝置由于布拉格衍射需要高頻(幾十兆赫茲)超聲源，實驗條件較為復(fù)雜，故本實驗采用拉曼-奈斯衍射裝置。實驗裝置連接如圖所示。超聲池是一個長方形玻璃液槽，液槽的兩通光側(cè)面(窗口)為平行平面。液槽內(nèi)盛有待測液體(如水)。換能器為壓電陶瓷芯片，芯片兩面引線與液槽上蓋的接線柱相連。當壓電陶瓷芯片由超聲光柵儀輸出的高頻振蕩信號驅(qū)動時，就會在液體中產(chǎn)生超聲波。1.

6、鈉光燈2.平行光管3.超聲池4.望遠鏡(去掉目鏡筒)5.測微目鏡6.壓電陶瓷芯片7.導(dǎo)線8.頻率顯示窗9.超聲光柵儀10.調(diào)頻旋鈕圖單色平行光沿著垂直于超聲波傳播方向上通過上述液體時，因折射率的周期變化使光波的波陣面產(chǎn)生了相應(yīng)的位相差，經(jīng)透鏡聚焦出現(xiàn)衍射條紋。這種現(xiàn)象與平行光通過透射光柵的情形相似。因為超聲波的波長很短，只要盛裝液體的液體槽的寬度能夠維持平面波，槽中的液體就相當于一個衍射光柵。途中行波的波長相當于光柵常數(shù)。即圖超聲光柵衍射光路 在調(diào)好的分光計上，由單色光源和和平行廣管中的匯聚透鏡與可調(diào)狹縫組成平行光系統(tǒng)如圖所示。讓垂直通過液槽（），在玻璃槽的另一側(cè)，用自準望遠鏡的物鏡和測微目鏡

7、組成望遠鏡系統(tǒng)。若振蕩器使芯片發(fā)生超聲振動，形成穩(wěn)定駐波，從測微目鏡即可觀察到衍射光譜，從圖中可以看出，當很小時，有：其中，為衍射光譜零級至級的距離；為焦距。所以超聲波波長：超聲波在液體中傳播的速度：式中的是振蕩器和鋯鈦酸鉛陶瓷片的共振頻率，為同一色光衍射條紋間距實驗儀器超聲光柵(超聲池)、超聲光柵儀、分光計、測微日鏡、低壓汞燈等實驗內(nèi)容 分光計的調(diào)節(jié) 同實驗 分光計測光波波長 采用低壓汞燈做光源，將待測液體（本實驗用水）注入液體槽內(nèi)，液面高度以槽側(cè)面的液體高度刻線為準。 將此液體槽（即超聲池）放置于分光計載物臺上，放置時調(diào)節(jié)使超聲池兩側(cè)面垂直于望遠鏡與平行光管的光軸。 兩只高頻連接線的一端各

8、插入液體槽蓋板上的接線柱，另一端接入超聲光柵儀電源箱的高頻輸出端，然后將液體槽的蓋板蓋在液體槽上。 開啟超聲信號電源，從阿貝爾目鏡觀察衍射條紋，細微調(diào)節(jié)超聲信號源的頻率，使電振蕩頻率和鋯鈦酸鉛陶瓷片產(chǎn)生共振，此時衍射光譜更加清晰，觀察視場內(nèi)的衍射光譜左右級次亮度對稱，直至可清晰觀察到級衍射條紋。 取下阿貝爾目鏡，換上測微目鏡，調(diào)節(jié)目鏡，使清晰看到衍射條紋，利用測微目鏡逐級測量其位置讀數(shù)（例如：從，），再用逐差法求出其條紋間距的平均值。 聲速計算公式式中光波波長；共振時頻率計上的讀數(shù)；f望遠鏡目鏡焦距（儀器數(shù)據(jù)）； 同一顏色的衍射條紋間距。實驗數(shù)據(jù)溫度：25公式為： 其中：理論值：V。=1497

9、 m/s (25)2焦距170mm；汞燈波長（其不確定度忽略不計）分別為：汞藍光435.8nm，汞綠光546.1nm，汞黃光578.0nm，（雙黃線平均波長） 樣品：水測微目鏡中衍射條紋位置讀數(shù)，小數(shù)點后第三位為估算值：（mm）色級3-2-10123黃1.4162.2403.0953.9314.7675.5496.361綠1.5842.3613.1254.6715.4456.195藍2.0822.6593.2704.5105.1585.783用逐差法計算各色廣衍射條紋平均間距及標準差：單位：（mm）光色衍射條紋平均間距聲速平均聲速黃0.8271381.821391.24綠0.7701402.2

10、0藍0.6201389.71樣品：乙醇 公式為： 理論值：1168m/s2焦距170mm；汞燈波長（其不確定度忽略不計）分別為：汞藍光435.8nm，汞綠光546.1nm，汞黃光578.0nm，（雙黃線平均波長）色級3-2-10123黃0.8931.9272.9143.9785.0816.1247.180綠1.0302.0613.0895.0025.9606.974藍1.7182.4113.2594.8415.6686.390 計算各色廣衍射條紋平均間距及標準差：單位：（mm）光色衍射條紋平均間距聲速平均聲速黃1.0541089.801127.23綠0.9221177.08藍0.7901098.29實驗注意事項 實驗過程中要防止震動，也不要碰觸連接超聲池和高頻電源的兩條導(dǎo)線。因為導(dǎo)線分布電容的變化會對輸出電頻率有微小影響。只有壓電陶瓷片表面與對面的玻璃槽壁表面平行時才會形成較好的表面駐波，因而實驗時應(yīng)將超聲池的上蓋蓋平。2.一般共振頻率在11.3MHz左右，WSG-1超聲光柵儀給出8.5-12MHz可調(diào)范圍。在穩(wěn)定共振時，