超聲光柵實(shí)驗(yàn)

1、超聲光柵實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?） 了解超聲致光衍射的原理。（2） 利用聲光效應(yīng)測(cè)量聲波在液體中的傳播速度?！緦?shí)驗(yàn)原理】壓電陶瓷片（PZT）在高頻信號(hào)源（頻率約10MHz）所產(chǎn)生的的交變電場(chǎng)的作用下，發(fā)生周期性的壓縮和伸長(zhǎng)振動(dòng)，其在液體中的傳播就形成超聲波，當(dāng)一束平面超聲波在液體中傳播時(shí)，其聲壓使液體分子作周期性變化，液體的局部就會(huì)產(chǎn)生周期性的膨脹與壓縮，這使得液體的密度在波傳播方向上形成周期性分布，促使液體的折射率也做同樣分布，形成了所謂疏密波，這種疏密波所形成的密度分布層次結(jié)構(gòu)，就是超聲場(chǎng)的圖象，此時(shí)若有平行光沿垂直于超聲波傳播方向通過液體時(shí)，平行光會(huì)被衍射。以上超聲場(chǎng)在液體中形成的密度分布層

2、次結(jié)構(gòu)是以行波運(yùn)動(dòng)的，為了使實(shí)驗(yàn)條件易實(shí)現(xiàn)，衍射現(xiàn)象易于穩(wěn)定觀察，實(shí)驗(yàn)中是在有限尺寸液槽內(nèi)形成穩(wěn)定駐波條件下進(jìn)行觀察，由于駐波振幅可以達(dá)到行波振幅的兩倍，這樣就加劇了液體疏密變化的程度。駐波形成以后，某一時(shí)刻t，駐波某一節(jié)點(diǎn)兩邊的質(zhì)點(diǎn)涌向該節(jié)點(diǎn)，使該節(jié)點(diǎn)附近成為質(zhì)點(diǎn)密集區(qū)，在半個(gè)周期以后，t+T/2，這個(gè)節(jié)點(diǎn)兩邊的質(zhì)點(diǎn)又向左右擴(kuò)散，使該波節(jié)附近成為質(zhì)點(diǎn)稀疏區(qū)，而相鄰的兩波節(jié)附近成為質(zhì)點(diǎn)密集區(qū)。圖4.2.1 為在t和t+T/2（T為超聲振動(dòng)周期）兩時(shí)刻振幅y、液體疏密分布和折射率n的變化分析。由圖4.2.1可見，超聲光柵的性質(zhì)是，在某一時(shí)刻t，相鄰兩個(gè)密集區(qū)域的距離為l，為液體中傳播的行波的波長(zhǎng)

3、，而在半個(gè)周期以后，t+T/2。所有這樣區(qū)域的位置整個(gè)漂移了一個(gè)距離l/2，而在其它時(shí)刻，波的現(xiàn)象則完全消失，液體的密度處于均勻狀態(tài)。超聲場(chǎng)形成的層次結(jié)構(gòu)消失，在視覺上是觀察不到的，當(dāng)光線通過超聲場(chǎng)時(shí)，觀察駐波場(chǎng)的結(jié)果是，波節(jié)為暗條紋（不透光），波腹為亮條紋（透光）。明暗條紋的間距為聲波波長(zhǎng)的一半，即為/2。由此我們對(duì)由超聲場(chǎng)的層次結(jié)構(gòu)所形成的超聲光柵性質(zhì)有了了解。當(dāng)平行光通過超聲光柵時(shí)，光線衍射的主極大位置由光柵方程決定。dsinfk=kl （k=0，1，2，） （4.2.1）光路圖如圖4.2.2所示。圖4.2.2 超聲光柵實(shí)驗(yàn)光路圖實(shí)際上由于f角很小，可以認(rèn)為：sinfk=lk/f （4.

4、2.2）其中l(wèi)k為衍射零級(jí)光譜線至第k級(jí)光譜線的距離，f為L(zhǎng)2透鏡的焦距，所以超聲波的波長(zhǎng)d=kl/sinfk=klf/lk （4.2.3）超聲波在液體中的傳播速度：v=ln （4.2.4）式中n為信號(hào)源的振動(dòng)頻率?！緦?shí)驗(yàn)儀器】實(shí)驗(yàn)裝置主要由控制主機(jī)（超聲信號(hào)源）、低壓鈉燈、光學(xué)導(dǎo)軌、光學(xué)狹縫、透鏡、超聲池、測(cè)微目鏡以及高頻連接線組成。如圖4.2.3所示。- 1 -圖4.2.3 超聲光柵實(shí)驗(yàn)裝置【實(shí)驗(yàn)過程】(1).將器件按圖4.2.3放置。低壓鈉燈與超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀相連。(2).調(diào)節(jié)狹縫與透鏡L1的位置，使狹縫與載物臺(tái)分光計(jì)垂直，狹縫中心法線與透鏡L1的光軸(即主光軸)重合，且與載物臺(tái)分光計(jì)平行

5、。二者間距為透鏡L1的焦距（即透鏡L1射出平行光）。(3).調(diào)節(jié)透鏡L2與測(cè)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。(4).開啟電源。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(duì)稱，光強(qiáng)適宜。(5)將待測(cè)液體（如蒸餾水、乙醇或其他液體）注入液槽，將液槽放置于載物臺(tái)上分光計(jì)上，放置時(shí)，使液槽兩側(cè)表面基本垂直于主光軸。(6).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。(7)調(diào)節(jié)測(cè)微目鏡與透鏡L2的位置。使目鏡中能觀察到清晰的衍射條紋。(8)前后移動(dòng)液槽，從目鏡中觀察條紋間距是否改變，若是，則改變透鏡L1的位置，直到條紋間距不變。(9)

6、微調(diào)超聲光柵儀上的調(diào)頻旋鈕，使信號(hào)源頻率與壓電陶瓷片諧振頻率相同，此時(shí)，衍射光譜的級(jí)次會(huì)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(shí)觀察視場(chǎng)內(nèi)的衍射光譜亮度及對(duì)稱性。重復(fù)上述操作，直到從目鏡中觀察到清晰而對(duì)稱穩(wěn)定的24級(jí)衍射條紋為止。(10)利用測(cè)微目鏡逐級(jí)測(cè)量各譜線位置讀數(shù)，測(cè)量時(shí)單向轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微目鏡鼓輪，以消除轉(zhuǎn)動(dòng)部件的- 2 -螺紋間隙產(chǎn)生的空程誤差（例如：從3、0、+3）。(11).自擬數(shù)據(jù)表格，記錄各級(jí)各譜線的位置讀數(shù)，計(jì)算各譜線衍射條紋平均間距，并計(jì)算液體中的聲速V。 【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】單色光源波長(zhǎng) （589.30.3）nm 透鏡L2焦距 f mm， f=0.4mm

7、 被測(cè)液體 普通水 液體溫度 t coVt=V0+a(t-t0)信號(hào)頻率 u MHzDlk=V=Lk-Lk-1+Lk-Lk-22+Lk-Lk-33 12(m/s)lfuDlkE=t-VVt100%【注意事項(xiàng)】- 3 -(1).調(diào)節(jié)個(gè)器件時(shí)，注意保持其同高共軸。(2).液槽置于載物臺(tái)上必須穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)避免震動(dòng)，以使超聲在液槽內(nèi)形成穩(wěn)定的駐波。導(dǎo)線分布電容的變化會(huì)對(duì)輸出信號(hào)頻率有影響，因此不能觸碰連接液槽和信號(hào)源的導(dǎo)線。(3).壓電陶瓷片表面與對(duì)面的液槽壁表面必須平行，此時(shí)才會(huì)形成較好的駐波，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)將液槽的上蓋蓋平。(4).在穩(wěn)定共振時(shí)，數(shù)字頻率計(jì)顯示的頻率應(yīng)是穩(wěn)定的，最多只有最末尾

8、有12個(gè)單位數(shù)的變動(dòng)。(5).實(shí)驗(yàn)時(shí)間不宜過長(zhǎng)，因?yàn)槁暡ㄔ谝后w中的傳播與液體溫度有關(guān)，時(shí)間過長(zhǎng)，液體溫度可能有變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)，特別注意不要使頻率長(zhǎng)時(shí)間調(diào)在高頻，以免振蕩線路過熱。(6).提取液槽應(yīng)拿兩端面，不要觸摸兩側(cè)表面通光部位，以免污染，如已有污染，可用酒精清洗干凈，或用鏡頭紙擦凈。(7).實(shí)驗(yàn)時(shí)液槽中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，并導(dǎo)致媒質(zhì)揮發(fā)，槽壁可見揮發(fā)氣體凝聚，一般不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但須注意若液面下降太多致使壓電陶瓷片外露時(shí)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充液體至正常液面線處。(8).實(shí)驗(yàn)完畢應(yīng)將被測(cè)液體倒出，不要將壓電陶瓷片長(zhǎng)時(shí)間浸泡在液槽內(nèi)。(9).計(jì)算時(shí)，透鏡焦距f為透鏡L2的焦距。(10).傳聲媒介在含有雜質(zhì)時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，建議使用純凈水（市售飲用純凈水即可）、分析純酒精、甘油等，對(duì)某些有毒副作用的媒質(zhì)（如苯等），不建議學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用，教師教學(xué)或科研需要時(shí)，應(yīng)注意安全。(11).儀器長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)，請(qǐng)將測(cè)微目鏡收于原裝小