超聲光柵實驗(陳文欽指導學生必看)

1、物理物理文明文明超聲光柵實驗（超聲光柵實驗（2606）物理物理文明文明物理物理文明文明實驗簡介實驗簡介實驗目的實驗目的實驗原理實驗原理儀器介紹儀器介紹實驗內(nèi)容與步驟實驗內(nèi)容與步驟注意事項注意事項數(shù)據(jù)處理要求數(shù)據(jù)處理要求思考題思考題目目 錄錄物理物理文明文明（一）（一） 教師示范操作結(jié)束前不可移動、擺弄儀器用教師示范操作結(jié)束前不可移動、擺弄儀器用具！具！（二）（二） 不可觸摸光學元件的光學面！不可觸摸光學元件的光學面?。ㄈㄈ?鈉燈需預熱五分鐘后方可使用，不可反復開關！鈉燈需預熱五分鐘后方可使用，不可反復開關?。ㄋ模ㄋ模?實驗使用實驗使用220V市電電源，注意用電安全！市電電源，注意用電安

2、全！注意事項注意事項物理物理文明文明 19221922年布里淵（年布里淵（L LBrillouinBrillouin）曾預言，當高頻聲）曾預言，當高頻聲波在液體在傳播時，如果有可見光通過該液體，可見波在液體在傳播時，如果有可見光通過該液體，可見光將產(chǎn)生衍射效應。這一預言在光將產(chǎn)生衍射效應。這一預言在1010年后被驗證，這一年后被驗證，這一現(xiàn)象被稱作聲光效應?，F(xiàn)象被稱作聲光效應。19351935年，拉曼（年，拉曼（RamanRaman）和奈）和奈斯（斯（NathNath）對這一效應進行研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，）對這一效應進行研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，聲光效應的衍射光強分布類似于普通的光柵，所以也聲

3、光效應的衍射光強分布類似于普通的光柵，所以也稱為液體中的超聲光柵。稱為液體中的超聲光柵。實驗簡介實驗簡介物理物理文明文明聲光效應的應用聲光效應的應用 用聲光效應制成聲光器件，如聲光調(diào)制器、聲光偏用聲光效應制成聲光器件，如聲光調(diào)制器、聲光偏 轉(zhuǎn)器，在激光技術、光信號處理和集成光通信技術轉(zhuǎn)器，在激光技術、光信號處理和集成光通信技術 等方面有著重要的應用。等方面有著重要的應用。 激光雷達掃描、電視大屏幕顯示器的掃描、高激光雷達掃描、電視大屏幕顯示器的掃描、高 清晰圖像傳真、光信息儲存。清晰圖像傳真、光信息儲存。物理物理文明文明實驗目的實驗目的 1.了解超聲致光衍射的原理了解超聲致光衍射的原理;2.

4、掌握利用聲光效應測定液體中聲速的方法；掌握利用聲光效應測定液體中聲速的方法；3.掌握測微目鏡的使用方法掌握測微目鏡的使用方法物理物理文明文明實驗原理實驗原理 壓電效應：對某些電介質(zhì)晶體施加機械應力時，晶體因內(nèi)部壓電效應：對某些電介質(zhì)晶體施加機械應力時，晶體因內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，導致晶體兩端面上正負電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，導致晶體兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應力成正比。這種出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應力成正比。這種沒有電場作用，由機械應力的作用而使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化沒有電場作用，由機械應力的作用而使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象稱

5、為壓電效應。當機械應力由壓并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象稱為壓電效應。當機械應力由壓應力變成拉應力時，電荷符號也改變。應力變成拉應力時，電荷符號也改變。 電致伸縮效應：與壓電效應相反，將具有壓電效應的電介質(zhì)電致伸縮效應：與壓電效應相反，將具有壓電效應的電介質(zhì)晶體置于電場中，電場的作用引起電介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心晶體置于電場中，電場的作用引起電介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心產(chǎn)生相對位移，而這一位移又導致介質(zhì)晶體發(fā)生形變，晶體產(chǎn)生相對位移，而這一位移又導致介質(zhì)晶體發(fā)生形變，晶體的這種由外加電場產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應也叫電致的這種由外加電場產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應也叫電致伸縮效應。晶體形變的大小與外加電場強

6、度成正比，當電場伸縮效應。晶體形變的大小與外加電場強度成正比，當電場反向時，形變也改變符號。反向時，形變也改變符號。物理物理文明文明1、 壓電陶瓷換能器與超聲波壓電陶瓷換能器與超聲波利用壓電陶瓷逆效應，在高頻信號源（頻率約10MHz）所產(chǎn)生的的交變電場的作用下，發(fā)生周期性的壓縮和伸長振動，其在液體中的傳播就形成超聲波（20000Hz)，物理物理文明文明 超聲波縱波在盛有液體的玻璃槽中傳播時，液體被周期性地壓縮與膨超聲波縱波在盛有液體的玻璃槽中傳播時，液體被周期性地壓縮與膨脹，其密度會發(fā)生周期性的變化，形成疏密波。稀疏作用會使液體密脹，其密度會發(fā)生周期性的變化，形成疏密波。稀疏作用會使液體密度減

7、小、折射率減小。壓縮作用會使液體密度增大、折射率增大，因度減小、折射率減小。壓縮作用會使液體密度增大、折射率增大，因此液體密度的周期變化，導致其折射率也呈周期變化。若超聲行波以此液體密度的周期變化，導致其折射率也呈周期變化。若超聲行波以平面波的形式沿平面波的形式沿X軸正方向傳播時，波動方程可描述為軸正方向傳播時，波動方程可描述為 式中式中y代表各質(zhì)點沿代表各質(zhì)點沿x方向偏離平衡位置的位移，方向偏離平衡位置的位移，Am表示質(zhì)點的最大位表示質(zhì)點的最大位移量，移量，Ts為超聲波的周期，為超聲波的周期， s為超聲波的波長。圖一給出了某時刻液為超聲波的波長。圖一給出了某時刻液體內(nèi)傳播的超聲波形（為表示方

8、便，圖中質(zhì)點沿體內(nèi)傳播的超聲波形（為表示方便，圖中質(zhì)點沿x方向的位移表示到方向的位移表示到豎直方向上了）。豎直方向上了）。2、 超聲光柵形成原理超聲光柵形成原理(1) 超聲波駐波ssmxTtAy2cos物理物理文明文明物理物理文明文明圖圖1 1 初始時刻的波形圖初始時刻的波形圖 圖圖2 T/42 T/4周期時刻的波形圖周期時刻的波形圖圖圖3 T/23 T/2周期時刻的波形圖周期時刻的波形圖物理物理文明文明從圖從圖1-1-圖圖3 3中我們可以看中我們可以看到駐波在到駐波在T/2T/2個周期內(nèi)各質(zhì)點個周期內(nèi)各質(zhì)點處密度變化情況，從圖中看出處密度變化情況，從圖中看出奇數(shù)點不發(fā)生振動，這樣的點奇數(shù)點不

9、發(fā)生振動，這樣的點為波節(jié)，且波節(jié)與波節(jié)處相距為波節(jié)，且波節(jié)與波節(jié)處相距/2/2，相鄰節(jié)點處的密度變化，相鄰節(jié)點處的密度變化不一致，而相隔一個節(jié)點處密不一致，而相隔一個節(jié)點處密度變化一致。這就說明密度具度變化一致。這就說明密度具有相同變化周期的最小間隔是有相同變化周期的最小間隔是。反射板反射板反射板物理物理文明文明(2) 超聲光柵超聲光柵 在距離等于波長的兩點，液體的密度相同，在距離等于波長的兩點，液體的密度相同，折射率也相同，若波長為折射率也相同，若波長為的的單色平行光單色平行光沿著沿著垂直于超聲波傳播方向通過上述液體時，因折垂直于超聲波傳播方向通過上述液體時，因折射率的周期變化使光波的波陣面

10、產(chǎn)生了相應的射率的周期變化使光波的波陣面產(chǎn)生了相應的位相差，經(jīng)透鏡聚焦出現(xiàn)衍射條紋，相當于一位相差，經(jīng)透鏡聚焦出現(xiàn)衍射條紋，相當于一超聲光柵，其光柵常數(shù)為超聲光柵，其光柵常數(shù)為。 實際上，超聲光柵是移動的實際上，超聲光柵是移動的,由超聲波的頻率由超聲波的頻率決定，但光的頻率遠遠大于超聲波的頻率，故決定，但光的頻率遠遠大于超聲波的頻率，故對光而言此光柵可認為是靜止的對光而言此光柵可認為是靜止的.物理物理文明文明3 、光柵方程、光柵方程光柵方程光柵方程缺級若明紋, 2 , 1 , 0,3 , 2 , 1 , 0,sinkkadkkkd物理物理文明文明本實驗中本實驗中flkkss光柵常數(shù)為超聲波長f

11、lkkktansin入射光波長入射光波長 取取589.30nmkslfkV為衍射零級譜線至第為衍射零級譜線至第k級譜線的距離級譜線的距離為凸透鏡為凸透鏡2的焦距的焦距為超聲波波長為超聲波波長為超聲波在液體中的傳播速度為超聲波在液體中的傳播速度為信號源的振動頻率為信號源的振動頻率klfsVsinkdk物理物理文明文明實驗儀器實驗儀器FB760-8型型超聲光柵實驗儀（數(shù)字顯示高頻功率信超聲光柵實驗儀（數(shù)字顯示高頻功率信號源，內(nèi)裝壓電陶瓷片號源，內(nèi)裝壓電陶瓷片PZTPZT的液槽）、鈉光燈、狹的液槽）、鈉光燈、狹縫、凸透鏡縫、凸透鏡1 1、凸透鏡、凸透鏡2 2、測微目鏡、水、測微目鏡、水物理物理文明文

12、明（a）是一種常見的絲杠式測微目鏡的結(jié)構剖面圖。鼓輪轉(zhuǎn)動）是一種常見的絲杠式測微目鏡的結(jié)構剖面圖。鼓輪轉(zhuǎn)動時通過傳動螺旋推動叉絲玻片移動；鼓輪反轉(zhuǎn)時，叉絲玻片時通過傳動螺旋推動叉絲玻片移動；鼓輪反轉(zhuǎn)時，叉絲玻片因受彈簧恢復力作用而反向移動。有因受彈簧恢復力作用而反向移動。有100個分格的鼓輪每轉(zhuǎn)一個分格的鼓輪每轉(zhuǎn)一周，叉絲移動周，叉絲移動1mm，所以鼓輪上的最小刻度為，所以鼓輪上的最小刻度為0.01mm。（。（b）表示通過目鏡看到的固定分劃板上的毫米尺、可移動分劃板表示通過目鏡看到的固定分劃板上的毫米尺、可移動分劃板上的叉絲與豎絲以及被觀測的幾條干涉條紋。上的叉絲與豎絲以及被觀測的幾條干涉條紋

13、。物理物理文明文明例：為了測量干涉條紋中的例：為了測量干涉條紋中的10個明（或個明（或暗）條紋距離，可以使叉絲和豎絲對準暗）條紋距離，可以使叉絲和豎絲對準第第n個明（或暗）條紋，先讀毫米標尺個明（或暗）條紋，先讀毫米標尺上的整數(shù)，再加上鼓輪上的小數(shù)，即為上的整數(shù)，再加上鼓輪上的小數(shù)，即為該條紋的位置該條紋的位置A。再慢慢移動叉絲和豎。再慢慢移動叉絲和豎絲，對準第絲，對準第n+10個明（或暗）條紋，得個明（或暗）條紋，得到位置到位置B。若。若A=2.735mm, B=4.972mm, 則則11個條紋間的個條紋間的10個距離就是個距離就是: 10 x = B-A = 4.972-2.375 = 2

14、.237mm。注意：注意：1、測微、測微目鏡的豎絲或叉目鏡的豎絲或叉絲交點只能在量絲交點只能在量程范圍程范圍內(nèi)（一般內(nèi)（一般取取mm）移）移動；動；2、測量時，只、測量時，只能沿一個方向旋能沿一個方向旋轉(zhuǎn)讀數(shù)鼓輪，避轉(zhuǎn)讀數(shù)鼓輪，避免空程誤差；免空程誤差；物理物理文明文明實驗步驟與內(nèi)容實驗步驟與內(nèi)容1.將器件按圖放置。將器件按圖放置。2.調(diào)節(jié)鈉燈與狹縫高度；點亮鈉燈，照亮狹縫。調(diào)節(jié)鈉燈與狹縫高度；點亮鈉燈，照亮狹縫。 3.調(diào)節(jié)狹縫與透鏡調(diào)節(jié)狹縫與透鏡L1的位置，使狹縫與光具座垂直的位置，使狹縫與光具座垂直（光具座水平，狹縫豎直），狹縫中心法線與透鏡（光具座水平，狹縫豎直），狹縫中心法線與透鏡L1

15、的光軸的光軸(即主光軸即主光軸)重合，且與光具座平行，二者間距重合，且與光具座平行，二者間距為透鏡為透鏡L1的焦距（即透鏡的焦距（即透鏡L1射出平行光）。射出平行光）。物理物理文明文明4.調(diào)節(jié)透鏡調(diào)節(jié)透鏡L2與測微目鏡的高度，使二者光軸與主與測微目鏡的高度，使二者光軸與主光軸重合。調(diào)焦目鏡，使十字絲清晰。光軸重合。調(diào)焦目鏡，使十字絲清晰。5.調(diào)節(jié)鈉燈位置，使鈉燈照射在狹縫上，并且上下調(diào)節(jié)鈉燈位置，使鈉燈照射在狹縫上，并且上下均勻，左右對稱，光強適宜。均勻，左右對稱，光強適宜。6將待測液體（自來水）注入液槽，將液槽放置于將待測液體（自來水）注入液槽，將液槽放置于光具座光具座載物臺上，放置時，使液

16、槽兩側(cè)表面基本垂直上，放置時，使液槽兩側(cè)表面基本垂直于主光軸（于主光軸（液槽內(nèi)超聲波傳播方向垂直）。7.將高頻連接線的一端接入液槽蓋板上的接線柱，另將高頻連接線的一端接入液槽蓋板上的接線柱，另一端接入超聲光柵儀上的輸出端。一端接入超聲光柵儀上的輸出端。8調(diào)節(jié)測微目鏡與透鏡調(diào)節(jié)測微目鏡與透鏡L2的位置。使目鏡中能觀察的位置。使目鏡中能觀察到清晰的衍射條紋。到清晰的衍射條紋。物理物理文明文明 9前后移動液槽，從目鏡中觀察條紋間距是否改前后移動液槽，從目鏡中觀察條紋間距是否改變，若是，則改變透鏡變，若是，則改變透鏡L1的位置，直到條紋間距不變。的位置，直到條紋間距不變。10微調(diào)超聲光柵儀上的調(diào)頻旋鈕

17、，使信號源頻率與微調(diào)超聲光柵儀上的調(diào)頻旋鈕，使信號源頻率與壓電陶瓷片諧振頻率相同，此時，衍射光譜的級次會壓電陶瓷片諧振頻率相同，此時，衍射光譜的級次會顯著增多且譜線更為明亮。微轉(zhuǎn)液槽，使射于液槽的顯著增多且譜線更為明亮。微轉(zhuǎn)液槽，使射于液槽的平行光束垂直于液槽，同時觀察視場內(nèi)的衍射光譜亮平行光束垂直于液槽，同時觀察視場內(nèi)的衍射光譜亮度及對稱性。重復上述操作，直到從目鏡中觀察到清度及對稱性。重復上述操作，直到從目鏡中觀察到清晰而對稱穩(wěn)定的晰而對稱穩(wěn)定的24級衍射條紋為止（使衍射的譜線出級衍射條紋為止（使衍射的譜線出現(xiàn)間距最大，且最清晰的狀態(tài)）記錄此時的信號源頻現(xiàn)間距最大，且最清晰的狀態(tài)）記錄此時

18、的信號源頻率。率。11.利用測微目鏡逐級測量各譜線位置讀數(shù)，測量時單利用測微目鏡逐級測量各譜線位置讀數(shù)，測量時單向轉(zhuǎn)動測微目鏡鼓輪，以消除轉(zhuǎn)動部件的螺紋間隙產(chǎn)向轉(zhuǎn)動測微目鏡鼓輪，以消除轉(zhuǎn)動部件的螺紋間隙產(chǎn)生的空程誤差（例如：從生的空程誤差（例如：從3、0、+3）。）。物理物理文明文明數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)記錄備注：入射光波長 ：589.30nm，信號源的振動頻率 ： Hz 凸透鏡2的焦距 ： mm；實驗室水溫： f衍射級數(shù)衍射級數(shù)k-3-2-10123譜線位置譜線位置讀數(shù)讀數(shù) (mm)kl物理物理文明文明數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理32121321kkkkkkkLLLLLLl物理物理文明文明9363589.3 10

19、157.0 109.130 101437(m/s)0.588 10kfVl %8 . 1%100146414371464%100ttVVVE20時，水（H2O）中標準聲速vS=1480.0m/s )(00ttVVt= 14802.5（13.720）1464 m/s物理物理文明文明思考題思考題1駐波波節(jié)之間距離為半個波長，為什么超聲光駐波波節(jié)之間距離為半個波長，為什么超聲光柵的光柵常數(shù)等于超聲波的波長？柵的光柵常數(shù)等于超聲波的波長？2. 測微目鏡測量譜線位置讀數(shù)時，為什么只能沿測微目鏡測量譜線位置讀數(shù)時，為什么只能沿一個方向旋轉(zhuǎn)？一個方向旋轉(zhuǎn)？3. 如果在目鏡中觀察不到衍射條紋，請分析其原因。如

20、果在目鏡中觀察不到衍射條紋，請分析其原因。4. 如果在目鏡中觀察到的衍射條紋條數(shù)過少，請分如果在目鏡中觀察到的衍射條紋條數(shù)過少，請分析其原因。析其原因。物理物理文明文明注意事項注意事項1.調(diào)節(jié)個器件時，注意保持其同高共軸調(diào)節(jié)個器件時，注意保持其同高共軸同軸等高的調(diào)節(jié)，以凸透鏡1光軸為主光軸；2.液槽置于載物臺上必須穩(wěn)定，在實驗過程中應避免震動，以液槽置于載物臺上必須穩(wěn)定，在實驗過程中應避免震動，以使超聲在液槽內(nèi)形成穩(wěn)定的駐波。導線分布電容的變化會對輸使超聲在液槽內(nèi)形成穩(wěn)定的駐波。導線分布電容的變化會對輸出信號頻率有影響，因此不能觸碰連接液槽和信號源的導線。出信號頻率有影響，因此不能觸碰連接液槽和信號源的導線。3.壓電陶瓷片表面與對面的液槽壁表面必須平行，此時才會形壓電陶瓷片表面與對面的液槽壁表面必須平行，此時才會形成較好的駐波，因此實驗時應將液槽的上蓋蓋平。成較好的駐波，因此實驗時應將液槽的上蓋蓋平。4.在穩(wěn)定共振時，數(shù)字頻率計顯示的頻率應是穩(wěn)定的，最多只在穩(wěn)定共振時，數(shù)字頻率計顯示的頻率應是穩(wěn)定的，最多只有最末尾有