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超声光栅实验报告.doc

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超声光栅实验报告.doc
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一、实验目的与实验仪器1.实验目的(1)了解超声光栅的原理和使用;(2)利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度。2.实验仪器GSG—1 型超声光栅声速仪、超声发生器(工作频率 9~13MHz) 、换能器、液槽、JJY-1’型分光仪(物镜焦距 f = 168mm) 、测微目镜(测微范围 8mm) 、放大镜、待测液及光源(钠灯或汞灯)等。二、实验原理介质受到超声波周期性的扰动,其折射率也将发生变化,此时光通过这种介质,就像透过投射光栅一样,这种现象称为超声致光衍射,把这种载有超声波的透明介质称为超声光栅。利用超声光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。设超声波在液体中以平面波形式沿 x 方向,在 x 方向液体中波的形式如下:y1 = Amcos[2π·( )]𝑡𝑇𝑠‒𝑥𝜆𝑠式中,y 1 为偏离平衡位置的位移量;A m 为振幅,Ts 为超声波周期,λs 为超声波波长。若在垂直 x 方向有一反射平面,则超声波被平面反射后沿 x 反方向传播,有如下方程:y2 = Amcos[2π·( )]𝑡𝑇𝑠+𝑥𝜆𝑠当正反两方向的平面波叠加形成驻波时,平衡位置的偏移量为y = y1+y2 = 2Amcos2π cos2π𝑥𝜆𝑠 𝑡𝑇𝑠超声波形成驻波时,压缩作用使节点处折射率增大,稀疏作用使远离节点处折射率变小,这样液体折射率就出现周期性变化,平行光沿着与超声波传播方向呈一定夹角的方向通过时会被衍射。由光栅方程可知:Asinφk = kλ式中,k 为衍射级次,φ k为 k 级衍射角。超声光栅光路图如下所示:超声光栅 实验报告在右侧望远镜中可观察到衍射条纹。从上图中几何关系可知:tanφk = 𝑙𝑘𝑓当 φk 很小时,有sinφk = 𝑙𝑘𝑓式中,lk 为零级衍射到 k 级衍射之间的距离, f 为透镜焦距,则超声波波长为A = = 𝑘𝜆𝑠𝑖𝑛𝜑𝑘 𝑘𝜆𝑓𝑙𝑘超声波在液体中传播速度为v = Aν = ·ν = 𝑘𝜆𝑓𝑙𝑘 𝜆𝑓𝜈Δ𝑙𝑘式中,ν 是换能器共振频率, 为同一波长光相邻衍射级别衍射条纹间距。Δ𝑙𝑘三、实验步骤(1)分光计的调整:用自准直法使望远镜聚焦于无穷远,望远镜的光轴与分光计的转轴中心垂直,平行光管与望远镜同轴并出射平行光,调节望远镜使观察到的狭缝清晰;(2)将待测液体注入超声池,液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准;(3)将超声池放置于分光计的载物台上, 使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴;(4)两支高频连接线的一端插入超声池盖板接线柱,另一端接入超声信号源的高频输出端,然后将液体槽盖板盖在液体槽上;(5)开启超声信号源电源,从阿贝目镜观察衍射条纹,细微调节电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片固有频率共振,此时,衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮,仔细调节,可观察到左右各 3-4 级以上的衍射光谱;(6)取下阿贝目镜,换上测微目镜,调焦目镜,使清晰观察到的衍射条纹。利用测微目镜逐级测量其位置读数并记录。四、数据处理1.数据记录条纹位置度数(单位:mm)级次光色 -3 -2 -1 0 1 2 3蓝 1.878 2.480 3.105 3.680 4.270 4.836 5.536绿 1.405 2.167 2.945 3.680 4.459 5.205 5.962黄 1.282 2.070 2.880 3.680 4.535 5.326 6.143换能器共振频率:ν= 9.579MHz2.逐差法求条纹间距蓝光: = = 0.598(mm)Δ𝑙𝑘1( 4.270‒1.878) +( 4.836‒2.480) +( 5.536‒3.105)4×3绿光: = = 0.759(mm)Δ𝑙𝑘2( 4.459‒1.405) +( 5.205‒2.167) +( 5.962‒2.945)4×3黄光: = = 0.814(mm)Δ𝑙𝑘3( 4.535‒1.282) +( 5.326‒2.070) +( 6.143‒2.880)4×33.计算超声波在酒精中速度利用蓝光计算:v 1 = = = 1172.8(m/s)𝜆1𝑓𝜈Δ𝑙𝑘1435.8×10-9×168×10-3×9.579×1060.598×10-3利用绿光计算:v 2 = = = 1157.8(m/s)𝜆2𝑓𝜈Δ𝑙𝑘2546.1×10-9×168×10-3×9.579×1060.759×10-3利用黄光计算:v 3 = = = 1142.7(m/s)𝜆3𝑓𝜈Δ𝑙𝑘3578.0×10-9×168×10-3×9.579×1060.814×10-3则超声波在酒精中声速:v = = = 1157.8(m/s)𝑣1+𝑣2+𝑣33 1172.8+1157.8+1
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