聲光衍射2013-14陳 (1)

1、聲光衍射法測(cè)定液體中的聲速實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書聲光衍射法測(cè)定液體中的聲速實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書1 實(shí)驗(yàn)原理在彈性介質(zhì)中聲波的傳播是一種縱向機(jī)械應(yīng)力波，它會(huì)引起介質(zhì)密度周期性變化，即引起介質(zhì)密度呈疏密交替的變化向前傳播的。當(dāng)這種機(jī)械波在傳播中受到在一定限制時(shí)即有一反射壁時(shí)，該波會(huì)反射。反射的波和行進(jìn)的波相遇，在條件合適情況下可以產(chǎn)生駐波。而駐波會(huì)使得在其中的各處的介質(zhì)呈周期性震蕩，不同點(diǎn)震蕩的振幅不同。有些點(diǎn)介質(zhì)振蕩振幅為零，此處介質(zhì)密度相對(duì)較大；而有些點(diǎn)介質(zhì)振蕩振幅最大，此處介質(zhì)密度相對(duì)較小。密度大，則折射率大，光不容易通過；密度小，則折射率小，光易通過。這時(shí)在這一介質(zhì)中形成的駐波在宏觀上、功能上來看具有光柵的作用

2、。Dnnn0ZlsVs圖1-a圖1-b圖1 超聲行波場(chǎng)中的介質(zhì)折射率分布本實(shí)驗(yàn)就是利用這一原理，利用水可以傳遞聲波而設(shè)計(jì)的。在一裝滿水的玻璃容器中產(chǎn)生一超聲波，而這一超聲在介質(zhì)中傳播形成縱波，當(dāng)該波行進(jìn)到容器的另一壁時(shí)會(huì)發(fā)生反射；反射波與原行進(jìn)波相遇而疊加、干涉產(chǎn)生駐波。若光通過這種介質(zhì)時(shí)，就相當(dāng)于通過一個(gè)透射光柵，因而會(huì)發(fā)生衍射。這種現(xiàn)象稱為“聲光衍射”，而存在著駐波的聲波場(chǎng)的介質(zhì)則稱為“聲光柵”，或“水聲光柵”。若聲波采用超聲波時(shí)，也稱其為“超聲光柵”，如圖1所示。理論上計(jì)算表明，當(dāng)在液體中形成超聲駐波時(shí)，相應(yīng)的折射率變化可表示為 (1)聲波反射壁電聲換能器PZT液體d0ls入射光p衍射光

3、圖2 聲光衍射示意圖n是介質(zhì)的折射率，n0是無任何干擾時(shí)的介質(zhì)折射率，n是折射率最大的變化量。從公式中可以看出Z軸上的折射率呈周期性分布，折射率的大小與位置有關(guān)。某一時(shí)刻，在某些地方折射率最大為n0+n，而在另一些地方折射率最小為n0-n。折射率小處光易通過，折射率大處光不易通過。由于駐波對(duì)水的折射率的影響，在某一時(shí)刻，使得水的不同部分透光率不同，而且透光位置與不透光的位置是等間距的變化即規(guī)則變化，在光照射下具有光柵的功能，如圖1所示。從波動(dòng)理論研究可知，相鄰?fù)腹獾拈g距是水中聲波的波長ls，所以駐波超聲光柵的光柵常數(shù)就是超聲波的波長ls。從光學(xué)知識(shí)可知，當(dāng)一束光垂直入射在超聲光柵上時(shí)，出射光即

4、為衍射光，如圖2所示。圖2中聲光作用長度為d。可證明超聲光柵與常規(guī)的光柵一樣，形成各級(jí)衍射的條件是ssin=±kp （k=0，±1，±2，¼¼）（2）k為衍射級(jí)數(shù)，qk為第k級(jí)衍射的衍射角，p為入射光波長，ls 為超聲波波長。其衍射光強(qiáng)分布如圖3所示，L為光柵到光屏的距離，Dk是同一級(jí)明條紋之間的距離。若入射光的波長p已知，依（2）式只要能知道sinqk，就可計(jì)算出超聲波波長ls。當(dāng)L>>Dk ，就有sinqk » tgqk = Dk/2L，根據(jù)圖3衍射光強(qiáng)分布圖可測(cè)得+k級(jí)到-k級(jí)條紋之間距離Dk。所以在測(cè)得光柵到衍超聲

5、光柵qkLDk圖3 衍射光強(qiáng)分布射屏的距離L及超聲波的頻率f后，即可算出超聲波在該液體中的傳播速度為：V = sf = （k=0，1，2，3，；l=650nm）(3）2 實(shí)驗(yàn)儀器2.1 儀器清單半導(dǎo)體激光器 (p = 650nm)、水槽、電聲換能器、SLD-2聲光衍射儀、500型科學(xué)工作室接口、CI6538旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器、光具座、CI6504A型光傳感器、計(jì)算機(jī)。圖4 傳感器通光口和增益裝置2.2 儀器功能介紹半導(dǎo)體激光器：發(fā)射激光的裝置；電聲換能器：超聲波的波源；水槽：產(chǎn)生超聲駐波的裝置，即產(chǎn)生水聲光柵的裝置；SLD-2聲光衍射儀：聲波頻率發(fā)生器；500型科學(xué)工作室接口：架起傳感器與計(jì)算機(jī)之

6、間的橋梁，將模擬信號(hào)AD轉(zhuǎn)化，存儲(chǔ)、信號(hào)傳輸?shù)裙δ堋I6504A型光傳感器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的裝置，由光圈調(diào)節(jié)裝置及增益裝置組成，如圖4所示：i. 光圈調(diào)節(jié)裝置：由6個(gè)寬度不同的通光口（稱作光闌）構(gòu)成，如圖4上圖所示，分別標(biāo)有1、2、3 6等，用來調(diào)節(jié)進(jìn)入光傳感器的光通亮；序號(hào)越大，光闌越寬，通光量越大；反之越小。本實(shí)驗(yàn)建議選擇1號(hào)光闌。ii. 增益裝置：增益裝置是將光闌采集的光信號(hào)放大的裝置，如圖4下圖所示。該裝置設(shè)計(jì)為1、10、100三個(gè)檔位。選擇“1”檔時(shí)，輸入計(jì)算機(jī)的光強(qiáng)不變；選擇“100”檔時(shí)，將光信號(hào)放大100倍。所以該光傳感器可用來測(cè)量微弱光信號(hào)。iii. 光傳感器的使用

7、：光闌大小及增益開關(guān)的選擇，是根據(jù)計(jì)算機(jī)顯示的圖樣來確定的。一般來講若圖片上顯示光強(qiáng)太小，不易測(cè)量，則首先調(diào)整光闌，從1號(hào)分別調(diào)整2、3、6號(hào)，不斷地去嘗試，直至達(dá)到顯示器構(gòu)圖滿意的光強(qiáng)。若調(diào)整到最大光闌6號(hào)光闌，在顯示屏上仍然不能明顯測(cè)出光強(qiáng)時(shí)，此時(shí)將光闌調(diào)到最小1號(hào)，撥大增益開關(guān)，如從1檔撥到10檔；觀察圖形，是否合適，還嫌小，接著調(diào)整光闌大小，直至得到滿意的圖形。本實(shí)驗(yàn)建議增益開關(guān)為1檔。iv. 光強(qiáng)分布圖的采集的標(biāo)準(zhǔn)：采集的衍射光強(qiáng)圖樣的零級(jí)主峰不出現(xiàn)削峰（平峰），光強(qiáng)分布曲線呈現(xiàn)2級(jí)以上的光強(qiáng)圖，光強(qiáng)分布曲線均勻?qū)ΨQ。3 內(nèi)容和要求3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.1.1 儀器的正確調(diào)節(jié)與使用。3

8、.1.2 觀察聲光衍射現(xiàn)象及記錄聲光衍射光強(qiáng)度分布曲線。3.1.3 測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)。3.1.4 正確撰寫相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。3.2 教學(xué)要求3.2.1 了解聲光相互作用原理，觀察聲光衍射現(xiàn)象。3.2.2 理解超聲光柵形成過程、掌握超聲波在水中傳播速度的測(cè)量方法。3.2.3 用Pasco測(cè)量±2級(jí)以上明紋間距離Dk 至少8次，單次測(cè)量光柵及光屏的位置X1、X2,記錄超聲波頻率f。3.2.4 利用相關(guān)公式計(jì)算超聲波在該液體中的傳播速度及不確定度。4 操作指導(dǎo)4.1 儀器粗調(diào)4.1.1 檢查電路是否連接好；4.1.2 觀察水槽中的水位，須沒過電聲換能器5mm左右；4.1.3 儀器位置

9、：開啟激光發(fā)射器及水槽下方磁性表座開關(guān)，調(diào)整各儀器位置滿足實(shí)驗(yàn)要求：水槽離光屏遠(yuǎn)一些（為什么？）；4.1.4 光束、水槽和光屏位置粗調(diào)：開啟激光器電源，觀察光線如何穿過水槽，是否垂直？若否，粗調(diào)激光發(fā)射器、水槽的位置，使激光束垂直穿過水聲光柵區(qū)域（判定兩者是否垂直的準(zhǔn)則是：光源附近無反射的光斑。），照射到光圈上，然后鎖定磁性表座開關(guān)；4.1.5 光束與水槽位置微調(diào)：調(diào)節(jié)激光器背面的上下兩個(gè)旋鈕（上旋鈕微調(diào)激光束高度，下旋鈕微調(diào)激光束水平位置。）分別調(diào)節(jié)消除光源附近反射的光斑（為什么？）。注意：激光發(fā)射源背面的兩個(gè)旋鈕可微調(diào)激光束的上下、水平方向，確保激光束與超聲光柵垂直。但一般只作微調(diào)，應(yīng)避免

10、大幅度調(diào)節(jié)這兩個(gè)旋鈕，以防光源架上的彈珠松落，無法正常使用。4.1.6 共振頻率調(diào)節(jié)：開啟聲光衍射儀的開關(guān)，緩慢旋轉(zhuǎn)調(diào)頻旋鈕，同時(shí)觀察衍射斑點(diǎn)的變化，當(dāng)衍射斑點(diǎn)出現(xiàn)最多時(shí)立刻停止調(diào)節(jié)頻率。而此時(shí)的頻率就是電流震蕩頻率與換能器的固有頻率相同時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象最為明顯的時(shí)候。記錄該頻率，為聲波所測(cè)頻率。4.1.7 調(diào)整光傳感器、光源的高度，使干涉圖樣能恰好投射選到光闌的中部。4.2 科學(xué)工作室500型接口的通道設(shè)置4.2.1 檢查通道的連接：檢查500型科學(xué)工作室數(shù)字通道1、2是否連接“旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器”，模擬通道C是否連接光傳感器（這些電纜已連接好，無需連接，只需檢查確認(rèn)。）。注意：若未

11、連接好，連接時(shí)須注意，傳感器連接采用梅花式插頭和插座，插入時(shí)，插座和插頭花紋要對(duì)準(zhǔn)插入；若看不清楚，尋找插頭上Top標(biāo)志，Top總是在上方時(shí)才可插入。4.2.2 科學(xué)工作室的開啟：開啟500型科學(xué)工作室接口電源開關(guān)(在其背面)，則綠燈亮；雙擊計(jì)算機(jī)桌面上的科學(xué)工作室圖標(biāo)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)尋找科學(xué)工作室接口，當(dāng)計(jì)算機(jī)自檢完成，進(jìn)入500科學(xué)工作室界面；4.2.3 軟件連接：通道1、2的設(shè)置：鼠標(biāo)選中“數(shù)碼”插頭圖標(biāo)，按住左鍵不放并拖到通道1，則計(jì)算機(jī)自動(dòng)將通道1、2選中，并彈出“選擇感應(yīng)器”窗口，下拉菜單，選擇“旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器”，并在彈出的窗口中設(shè)定“分格/旋轉(zhuǎn)”為1440即可；通道C的設(shè)置：用鼠標(biāo)左

12、鍵選中“模擬”插頭圖標(biāo)不放并拖到通道C，計(jì)算機(jī)自動(dòng)彈出“選擇感應(yīng)器”窗口，選中“光傳感器”即可。4.3 圖表設(shè)置：4.3.1 將圖標(biāo)拖入通道1或通道C，下拉橫坐標(biāo)左下角圖標(biāo)的箭頭，選擇“數(shù)碼式輸入1”的 “位置（厘米）”，則橫坐標(biāo)的測(cè)量量為“位置（厘米）”。 縱坐測(cè)量量標(biāo)默認(rèn)為“模擬輸入C”的“光強(qiáng)”。4.3.2 用鼠標(biāo)點(diǎn) “取樣選項(xiàng)”圖標(biāo)，取樣周期取200HZ左右。圖6圖表設(shè)置14.3.3 點(diǎn)擊“500型接口界面”右上角的“向下還原”鍵，“500接口界面”將隱藏，只剩下控制鍵界面，如圖6左圖所示；4.3.4 鼠標(biāo)點(diǎn)中圖表“圖形顯示”狀態(tài)欄，移動(dòng)圖表拉至使其左側(cè)貼近控制鍵界面右側(cè)邊，松鼠標(biāo)。則

13、圖表緊挨著控制鍵界面，如圖6圖表設(shè)置的右圖所示；4.3.5 鼠標(biāo)移到圖表右下角尖銳處，光標(biāo)變?yōu)椤啊睍r(shí)，按住鼠標(biāo)左鍵將 “圖表”朝45度角斜向下拉，至占滿整個(gè)桌面為止，松開鼠標(biāo)。結(jié)果如圖7所示。4.4 微調(diào)：4.4.1 從光源處觀察光屏上的衍射斑點(diǎn)是否符合要求：光斑中間光斑是否最亮，是否有三級(jí)以上的光斑點(diǎn)出現(xiàn)，并且左右光強(qiáng)是否對(duì)稱。若不是的話，輕微調(diào)節(jié)電聲換能器使發(fā)射面與其對(duì)面的反射面（即水槽壁）間的距離及平行度，觀察光斑點(diǎn)，光斑點(diǎn)數(shù)是否最多、清晰且光斑點(diǎn)盡量對(duì)稱分布；4.4.2 輕微地調(diào)節(jié)激光發(fā)射背面的“水平移動(dòng)旋鈕”（下面的旋鈕），觀察衍射光斑的變化、光強(qiáng)是否對(duì)稱（其實(shí)，是再次稍微調(diào)整光束與

14、光柵的垂直度）；4.5 測(cè)量：若經(jīng)以上兩步調(diào)節(jié)后，目測(cè)通過水槽射出的光在光屏上衍射光斑明紋明顯、斑數(shù)多，能看到若干級(jí)別的衍射斑，且衍射光斑清晰、光強(qiáng)分布對(duì)稱。圖7圖表設(shè)置24.5.1 調(diào)整光屏的通光闌高度，使所有光斑完全可照射到光闌。移動(dòng)光闌使其對(duì)準(zhǔn)衍射光斑最左邊（或者最右邊）的第一個(gè)光點(diǎn)，之后點(diǎn)擊鍵；4.5.2 向右邊（或者左邊）方向移動(dòng)“旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器” 直至通光闌掃描到所有的衍射光斑（ 注意：移動(dòng)光圈的光闌時(shí)，須采集所有的衍射光斑，盡量不采集沒有光斑的區(qū)域。其次，移動(dòng)“旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器”時(shí)應(yīng)輕、緩慢、均勻，保證圖樣連線光滑，數(shù)據(jù)點(diǎn)密集。并且整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，“旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器”只能沿一個(gè)方向移動(dòng)

15、。），點(diǎn)擊鍵，數(shù)據(jù)采集完畢。4.5.3 點(diǎn)擊圖標(biāo)，將圖表優(yōu)化；觀察圖表，衍射光強(qiáng)的分布是否均勻，左右是否對(duì)稱，是否明顯觀察到2級(jí)以上完整的衍射光強(qiáng)分布曲線圖，主峰是否無削峰出現(xiàn)。若滿足以上要求，進(jìn)行下一步-5.1.1步；4.5.4 若光強(qiáng)分布圖左右不對(duì)稱，再次微調(diào)（非常輕微）光源背后下面的旋鈕（水平微調(diào)旋鈕），隨時(shí)記住旋鈕旋轉(zhuǎn)的方向，作為下一次微調(diào)的參考方向。切記：調(diào)整一次，采集一次數(shù)據(jù)（重復(fù)4.5.1-4.5.2步驟）。4.5.5 每微調(diào)一次，記錄的數(shù)據(jù)，須均與上一次光強(qiáng)分布圖進(jìn)行比較（如何比較呢？下拉圖表旁的圖標(biāo)的箭頭，出現(xiàn)數(shù)據(jù)菜單，勾選前一組數(shù)據(jù)同時(shí)觀測(cè)該數(shù)據(jù)光強(qiáng)圖與剛采集數(shù)據(jù)光強(qiáng)圖比較

16、）那個(gè)較好一些？確定如何調(diào)試“水平旋鈕”的方向；4.5.6 若有改進(jìn)，重復(fù)步驟3.5.4-3.5.5不斷的與前一組數(shù)據(jù)比較，如此不斷地微調(diào)光束與光柵的垂直度，直至調(diào)整到滿足步驟3.5.3的要求。（除了與最后一次比較的參考數(shù)據(jù)外，不好的數(shù)據(jù)須經(jīng)常整理、刪除，以便保留較好的數(shù)據(jù)，方便最終查詢。）注意：移動(dòng)“旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器”時(shí)應(yīng)輕、緩慢、均勻，保證圖樣連線光滑，數(shù)據(jù)點(diǎn)密集。采集的圖樣若發(fā)現(xiàn)點(diǎn)稀疏，應(yīng)更緩慢旋轉(zhuǎn)“旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器”或著檢查“取樣選項(xiàng)”的周期設(shè)置是否正確；若出現(xiàn)削峰，應(yīng)調(diào)節(jié)光闌大小或增益開關(guān)。5 數(shù)據(jù)測(cè)量及打印5.1 數(shù)據(jù)測(cè)量5.1.1 選擇光強(qiáng)分布最好的一組數(shù)據(jù)；點(diǎn)擊圖表左下角圖標(biāo)，輸入

17、圖表名稱、個(gè)人名字、班級(jí)、學(xué)號(hào)；點(diǎn)擊圖標(biāo)，優(yōu)化圖表；圖9 聲光衍射光強(qiáng)分布測(cè)量圖D25.1.2 若由于操作失誤，采集無用數(shù)據(jù)（不是衍射光強(qiáng)部分）太多，即使按了“滿屏”圖標(biāo)，光強(qiáng)分布曲線仍然狹窄，集中在圖表的中間，而未滿屏。這時(shí)，點(diǎn)擊圖表視窗左下角“放大鏡”圖標(biāo)，從左邊選擇第4級(jí)或者第3級(jí)暗紋處撳住鼠標(biāo)左鍵，然后拖動(dòng)光標(biāo)直至到右邊同樣級(jí)數(shù)暗紋位置上，放鼠標(biāo)，此時(shí)呈現(xiàn)的圖樣就是你所測(cè)量的光強(qiáng)分布曲線圖；5.1.3 測(cè)量Dk：點(diǎn)擊圖表左下角圖標(biāo)，則光標(biāo)變?yōu)?字叉絲。將叉絲放在你所需測(cè)量的-k級(jí)峰值位置后，撳住鼠標(biāo)左鍵拖到+k級(jí)峰值位置，鼠標(biāo)一直按住在該位置靜止不動(dòng)，同時(shí)讀出橫軸下方的數(shù)據(jù)-即為所測(cè)量

18、峰峰值的Dk，記錄該數(shù)據(jù)。重復(fù)測(cè)量8次，記錄數(shù)據(jù)。5.1.4 用光具座的米尺讀出水槽位置X1和光屏位置X2各一次；讀出聲光衍射儀顯示的頻率f及記錄給出的光波波長p。5.2 打印5.2.1 點(diǎn)擊工具欄的“編輯”菜單中的“復(fù)制”，將圖案直接復(fù)制到Word文檔中，如圖9所示。點(diǎn)擊主菜單“文件”，下拉菜單選擇“打印”。在 “打印機(jī)”的對(duì)話框中，“名稱”下拉菜單（箭頭）選擇“0hp laser Jet 1000”打印機(jī)，然后“確定”，就可以打印了。若打印不出來，請(qǐng)進(jìn)行下一步5.2.2。5.2.2 教師使用的計(jì)算機(jī)只能共享16臺(tái)，后續(xù)的同學(xué)有可能連接不上打印機(jī)。解決方法：Word文檔另存，進(jìn)入物理實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)頁存儲(chǔ)到網(wǎng)絡(luò)ftp:/或者自帶的U盤中，再到正常連接計(jì)算機(jī)中，打開你的文檔并打印。6 實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)表1 聲光衍射相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)次序Dk ( )X1 ( )X2 ( )l( )f ( )k 7 預(yù)習(xí)思考題7.1 什么叫衍射？什么是光柵衍射？7.2 衍射與光柵衍射圖像有何不同？何為駐波？在該實(shí)驗(yàn)里何為光柵？7.3 該實(shí)驗(yàn)主要計(jì)算公式是哪幾個(gè)?主要測(cè)量的物理量是哪些？7.4 PZT換能器在本實(shí)驗(yàn)的作用是什么？7.5 要調(diào)出較佳的衍射圖樣應(yīng)如何調(diào)節(jié)？如何判定光源是否與光柵垂直了？8 補(bǔ)充討論題8.1 采用白光為照射光和單色光照射相比