用超聲光柵測(cè)液體中的聲速PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1用超聲光柵測(cè)液體中的聲速用超聲光柵測(cè)液體中的聲速第1頁(yè)/共12頁(yè)ssmxTtAy2cos第2頁(yè)/共12頁(yè)反射板反射板圖1超聲駐波形成示意圖第3頁(yè)/共12頁(yè) 如果超聲波被液槽的一個(gè)垂直于x軸的平面反射，又會(huì)反向傳播，當(dāng)反射平面距波源為波長(zhǎng)四分之一的奇數(shù)倍時(shí)，入射波與反射波分別為兩者疊加得ssmxTtAy2cos1ssmxTtAy2cos2ssmTtxAyyy2cos2cos221第4頁(yè)/共12頁(yè)該式說(shuō)明疊加的結(jié)果形成了駐波：沿x方向各點(diǎn)的振幅為 ，是x的函數(shù)，隨x呈周期性的變化（波長(zhǎng)s），但不隨時(shí)間變化，位相是時(shí)間的函數(shù)，但不隨空間變化。某時(shí)刻，縱駐波的任一波節(jié)兩邊的質(zhì)點(diǎn)都涌向這個(gè)節(jié)點(diǎn)，

2、使該節(jié)點(diǎn)附近成為質(zhì)點(diǎn)密集區(qū)，而相鄰的波節(jié)處為質(zhì)點(diǎn)稀疏區(qū)，半個(gè)周期后，這個(gè)節(jié)點(diǎn)附近的質(zhì)點(diǎn)又向兩邊散開(kāi)變?yōu)橄∈鑵^(qū)，相鄰波節(jié)處變?yōu)槊芗瘏^(qū)。由于駐波的振幅可以達(dá)到單一行波的二倍，加劇了波源和反射面之間液體的疏密變化程度。液槽內(nèi)距離等于波長(zhǎng)s的任何兩點(diǎn)處，液體的密度相同，折射率也相同。因此，有超聲波傳播的液體相當(dāng)于一個(gè)位相光柵，稱(chēng)為“超聲光柵”。 smxA2cos2第5頁(yè)/共12頁(yè)3利用超聲光柵衍射測(cè)量液體中的聲速 當(dāng)平行光沿著垂直于超聲波傳播方向通過(guò)液體時(shí)，由于光速遠(yuǎn)大于液體的聲速，可以認(rèn)為光波的一波陣面通過(guò)液體的過(guò)程中液體中的疏密及其折射率的周期變化情況沒(méi)有明顯改變，相對(duì)穩(wěn)定。這時(shí)，因折射率的周期變

3、化將使光波通過(guò)液體后在原先的波陣面上產(chǎn)生了相應(yīng)的周期變化的位相差，（在光柵測(cè)波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中，是由于平行光通過(guò)光柵后產(chǎn)生了光程差）。在某特定方向上出射光會(huì)相干加強(qiáng)，產(chǎn)生衍射，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦，即可在焦平面上觀察到衍射條紋。當(dāng)液槽中傳播的超聲波被液槽的一個(gè)玻璃面反射，在一定條件下形成超聲頻率的縱向振動(dòng)駐波時(shí)，可加劇液體的疏密變化程度，使衍射現(xiàn)象加強(qiáng)。超聲波波長(zhǎng)s即相當(dāng)于光柵常數(shù)，根據(jù)光柵方程可得第6頁(yè)/共12頁(yè)SL1L2PZTdkf圖2 測(cè)液體中的聲速實(shí)驗(yàn)裝置示意圖第7頁(yè)/共12頁(yè)ssink=k （k=0，1，2，）式中k為k級(jí)衍射光的衍射角，為光波波長(zhǎng)。當(dāng)k角很 小時(shí)，可近似有 sink=dk/f其中d

4、k為衍射光譜上零級(jí)至k級(jí)的距離，f為透鏡L2的焦距，而且各級(jí)衍射線是等間距分布的。 則超聲波波長(zhǎng)為kksdfkksin液槽中傳播的超聲波的頻率fs可由超聲光柵儀上的頻率計(jì)讀出，則超聲波在液體中傳播的速度為 由此利用超聲波光柵衍射可以測(cè)量液體中的聲速。v =S fS 第8頁(yè)/共12頁(yè)實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟1、激光從狹縫出射，調(diào)整透鏡的位置，使屏上成一個(gè)清晰的狹縫的像。2、將酒精倒入超聲腔內(nèi), 用導(dǎo)線連接壓電陶瓷晶片與信號(hào)源，開(kāi)啟信號(hào)源，調(diào)到合適的頻率范圍（10MHZ檔）。3、開(kāi)啟超聲信號(hào)源電源，給壓電陶瓷PZT上加震蕩電壓，從測(cè)微目鏡觀察衍射條紋，調(diào)節(jié)頻率微調(diào)，使電振蕩頻率與鋯酞酸鉛陶瓷片固有頻率共振，（選用的壓電陶瓷共振頻率在3MHz左右），這時(shí)可從目鏡中觀察到穩(wěn)定而清晰的左右各三級(jí)左右的衍射譜線。4、用測(cè)微目鏡測(cè)量各級(jí)衍射條紋的位置（左右各三級(jí)），利用逐差法求出譜線平均間距d。5、記錄超聲波頻率。 6、記錄液體溫度（粗