邁克耳遜干涉儀的使用-大學(xué)物理試驗(yàn)-長(zhǎng)江大學(xué)

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)書超聲聲速的測(cè)量聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的一種機(jī)械波。振動(dòng)頻率在 20 20000Hz 的聲波為可聞聲波，頻率超過 20000Hz 的聲波稱為超聲波。對(duì)于聲波特性（如頻率、波長(zhǎng)、波速、相位等）的測(cè)量是聲學(xué)技術(shù)的重要內(nèi)容。聲速的測(cè)量在聲波定位、探傷、測(cè)距中有廣泛的應(yīng)有。 在石油工業(yè)中，常用聲波測(cè)井獲取孔隙度等地層信息，在勘探中常用地震波勘測(cè)地層剖面尋找油層。 測(cè)量聲速最簡(jiǎn)單的方法之一是利用聲速與振動(dòng)頻率 f 和波長(zhǎng) 之間的關(guān)系（即 u f ）來進(jìn)行的。由于超聲波具有波長(zhǎng)短、 能定向傳播等特點(diǎn)， 所以在超聲波段進(jìn)行聲速測(cè)量是比較方便的。 本實(shí)驗(yàn)就是測(cè)量超聲波在空氣中的傳播速度。

2、超聲波的發(fā)射和接收一般通過電磁振動(dòng)與機(jī)械振動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)， 最常見的是利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于超聲波測(cè)距、定位測(cè)液體流速、測(cè)材料彈性模量、測(cè)量氣體溫度的瞬間變化等方面，超聲波傳播速度都有重要意義。一、教學(xué)目的1、掌握用駐波法和相位比較法測(cè)量空氣中的聲速。2、加深對(duì)駐波和振動(dòng)合成理論知識(shí)的理解，了解超聲壓電換能器的結(jié)構(gòu)和原理。3、進(jìn)一步掌握信號(hào)源和示波器的使用，培養(yǎng)綜合使用儀器的能力。二、教學(xué)要求1、實(shí)驗(yàn)三小時(shí)完成。2、了解超聲壓電換能器的結(jié)構(gòu)和原理；3、進(jìn)一步掌握信號(hào)源和示波器的使用；4、用駐波法測(cè)出超聲波的頻率和波長(zhǎng)，并計(jì)算出聲速；5、用相位比較法測(cè)出超聲波的頻率和

3、波長(zhǎng)，并計(jì)算出聲速；6、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，寫出合格的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。長(zhǎng)江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)書三、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1、重點(diǎn)：理解駐波法和位相法測(cè)聲波波長(zhǎng)的原理。2、難點(diǎn)：掌握用駐波法和相位比較法測(cè)超聲波波長(zhǎng)的方法。四、講授內(nèi)容（約20 分鐘）1、實(shí)驗(yàn)原理？讓同學(xué)們理解測(cè)聲速的實(shí)驗(yàn)公式uf ；產(chǎn)生駐波的條件（兩列在同一直線上沿相反方向以相同速度傳播的相干波）；實(shí)驗(yàn)中由壓電陶瓷換能器S1（產(chǎn)生超聲波）、S2（反射與輸出）兩端面L nn間距離滿足來實(shí)現(xiàn)。2位相法測(cè)聲波波長(zhǎng)的原理是移S2 可得系列 Li 1 Li2與聲源同位相或反相位的位置； 將 S2 輸出信號(hào)與 S1 的

4、激勵(lì)信號(hào)同時(shí)輸入示波器的x、y 軸方向，進(jìn)行振動(dòng)合成；選擇相位差分別為(2 n1)和2n時(shí)的李薩如圖形（直線）來觀測(cè)超聲波波長(zhǎng)。2、分析壓電換能器的工作原理。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。 超聲波發(fā)生器內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)由兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板構(gòu)成。 當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)， 其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)， 壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振， 并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。 反之，如果兩電極間未外加電壓， 當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)， 將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 這時(shí)它就成為超聲波接收器了。3、為什么先要調(diào)整換能器系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)？怎樣調(diào)整諧振頻率？首先要讓同學(xué)們

5、理解產(chǎn)生諧振（共振）的條件（調(diào)信號(hào)源頻率等于換能器固有頻率），在諧振狀態(tài)下?lián)Q能器能發(fā)出較強(qiáng)的超聲波便于測(cè)量。諧振狀態(tài)的調(diào)節(jié)：粗調(diào)頻率使S1 指示燈亮；移動(dòng)S2 同時(shí)細(xì)調(diào)頻率，使示波器上出現(xiàn)的正弦波振幅最大。4、利用本實(shí)驗(yàn)給出的儀器，能否用雙顯法測(cè)量超聲波波長(zhǎng)？可利用雙顯法，把接線頭的信號(hào)與發(fā)射頭的激勵(lì)信號(hào)輸入Y1、 Y2 通道，同時(shí)顯示圖形并比較，移動(dòng)接收頭S2 尋找同位相點(diǎn)的位置（波形完全重合） ，測(cè)超聲波的波長(zhǎng)。長(zhǎng)江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)書5、實(shí)驗(yàn)主要步驟？（1）儀器的調(diào)試(a)按實(shí)驗(yàn)原理圖連接線路，讓示波器開機(jī)預(yù)熱；(b)調(diào)整換能器的發(fā)射面使之與游標(biāo)卡尺副

6、尺的滑動(dòng)方向垂直，將換能器接收面移近換能器發(fā)射面并調(diào)整使兩面嚴(yán)格平行（注意提醒學(xué)生:通電后兩端面不可接觸，否則換能器的諧振頻率會(huì)被改變)；(c)調(diào)整換能器系統(tǒng)的諧振頻率： 改變信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率， 使發(fā)射換能器上的指示燈燃亮， 此時(shí)信號(hào)源輸出頻率大致為換能器的諧振頻率。 將接收器S2 輸出的正弦電壓信號(hào)輸入示波器，緩慢移動(dòng)S2 ，當(dāng)在示波器上看到正弦波首次出現(xiàn)振幅較大處，固定S2 ，再仔細(xì)微調(diào)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，使屏幕上正弦波幅值達(dá)到最大， 此時(shí)信號(hào)源頻率等于換能器的諧振頻率， 接收換能器的輸出信號(hào)亦為最大。（2）駐波法測(cè)聲速轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)卡尺的鼓輪使發(fā)射面和接收面之間的距離逐漸增加， 并依

7、次記下示波器上的正弦波達(dá)到極大值時(shí)從游標(biāo)卡尺讀得的相應(yīng)位置數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的信號(hào)源頻率的示值，記錄 10 組數(shù)據(jù)；記錄實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的室溫 t1 和實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的室溫 t2 。（3）相位比較法測(cè)聲速轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)卡尺的鼓輪，改變發(fā)射面與接收面之間的距離，觀察示波器熒光屏上李薩如圖形的變化， 依次讀取示波器上顯示相位差 0 和 圖樣時(shí)接收面的位置數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的信號(hào)源頻率的示值，記錄 10 組數(shù)據(jù)；記錄實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的室溫 t1 和實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的室溫 t2 。（4）用逐差法處理數(shù)據(jù)。（5）關(guān)閉電源，整理儀器。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、示波器電源打開后可連續(xù)使用，不要時(shí)開時(shí)關(guān)，以免高壓對(duì)儀器造成損害，暫時(shí)不用時(shí)可將輝度調(diào)暗。輝度過

8、大時(shí)熒光屏壽命有影響。2、 x 、y 增幅暫為零時(shí)，屏中亮點(diǎn)直徑1mm；聚焦應(yīng)調(diào)至圖線為亮細(xì)線。長(zhǎng)江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)書3、若圖形的終點(diǎn)與起點(diǎn)間出現(xiàn)一條較暗的圖線（回掃線），說明輝度過大，應(yīng)調(diào)小至回掃線消失。4、 S1、S2 兩端面應(yīng)平行；信號(hào)源電源打開后S1 與 S2 不準(zhǔn)接觸。5、頻率有改變，信號(hào)源輸出頻率有少量漂移，是正?，F(xiàn)象，處理數(shù)據(jù)取平均值。6、示波器圖形不穩(wěn)定（圖形左右移動(dòng)、滾動(dòng)、模糊），調(diào)節(jié)電平旋鈕使之穩(wěn)定。7、注意換能器系統(tǒng)的諧振頻率的調(diào)節(jié)，先粗調(diào)后細(xì)調(diào)，調(diào)好后不可再改變，否則就必須重復(fù)調(diào)整步驟測(cè)量數(shù)據(jù)。8、測(cè)量波長(zhǎng)時(shí)，注意在振幅最大或直線狀

9、態(tài)進(jìn)行測(cè)讀；讀數(shù)時(shí)應(yīng)預(yù)先估測(cè)波形最大或重合位置，精細(xì)調(diào)節(jié)，不可來回旋轉(zhuǎn)鼓輪，避免回程誤差。六、指導(dǎo)要點(diǎn)1、示波器有時(shí)圖形有閃爍現(xiàn)象，這是由于熒光粉余輝時(shí)間短造成的，是正?，F(xiàn)象。2、開機(jī)后不見水平亮線?？赡芄廑E偏離；觸發(fā)方式選擇開關(guān)應(yīng)置“自激AUTO” ；掃描開關(guān)沒打開進(jìn)行掃描。3、 S1 上的指示燈不亮。信號(hào)源輸出頻率與換能器諧振頻率相差太遠(yuǎn)（S1 的燈亮并不說明已達(dá)諧振頻率，還應(yīng)微調(diào)至波形振幅最大。）；指示亮泡已壞。4、駐波法測(cè)中，隨著 S2 遠(yuǎn)離 S1，波形振幅越來越小。由于波傳播過程中有能量損失， S2 與 S1 越遠(yuǎn)， S1 反射的波的振幅越來越小的緣故。在測(cè)量時(shí)為了便于觀察，可增大y1 偏