超聲光柵測量聲速

1、超聲光柵測量聲速光通過處在超聲波作用下的透明介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射的現(xiàn)象稱做聲光效應(yīng)。1922年布里淵曾預(yù)言液體中的高頻聲波能使可見光產(chǎn)生衍射效應(yīng)，10年后被證實(shí)。1935年拉曼和奈斯發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，聲光效應(yīng)的衍射光強(qiáng)分布類似于普通光柵的衍射。這種聲光效應(yīng)稱做拉曼-奈斯聲光衍射，它提供了一種調(diào)控光束頻率、強(qiáng)度和方向的方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、打開低壓汞燈的電源開關(guān)；2、分光計(jì)的調(diào)整（調(diào)整方法可參閱分光計(jì)的實(shí)驗(yàn)）3、將待測液體（如蒸餾水、乙醇或其他液體）注入液體槽內(nèi)，液面高度以液體槽側(cè)面的液體高度刻線為準(zhǔn)；4、將此液體槽（可稱其為超聲池）放置于分光計(jì)的載物臺(tái)上，放置時(shí)，使超聲池兩側(cè)表面基本垂直于望遠(yuǎn)鏡和平行

2、光管的光軸；5、兩條高頻連接線的一端各插入液體槽蓋板上的接線柱，另一端接入超聲光柵信號源的高頻輸出端，然后將液體槽蓋板蓋在液體槽上；6、開啟超聲光柵信號源電源，從阿貝目鏡觀察衍射條紋，調(diào)節(jié)頻率微調(diào)旋鈕，當(dāng)信號頻率與鋯鈦酸鉛陶瓷片固有頻率基本相同時(shí)產(chǎn)生共振，此時(shí)，衍射光譜的級次會(huì)顯著增多且更為明亮；7、如果此前分光計(jì)已調(diào)整到位，可轉(zhuǎn)動(dòng)分光計(jì)載物臺(tái)或游標(biāo)盤使超聲池左右轉(zhuǎn)動(dòng)，能使射入超聲池的平行光束完全垂直于超聲波束，同時(shí)觀察目鏡視場內(nèi)的衍射光譜左右級次亮度及對稱性，直到從目鏡中觀察到穩(wěn)定而清晰的左右各34級的衍射條紋為止；8、取下阿貝目鏡，換上測微目鏡，調(diào)焦目鏡，使清晰觀察到衍射條紋。利用測微目鏡

3、逐級測量其位置讀數(shù)（例如：從3、 、0、 、3），再用逐差法求出條紋間距的平均值。9、聲速計(jì)算公式為：式中：光波波長；共振時(shí)頻率計(jì)的讀數(shù)；同一種顏色的衍射條紋間距；望遠(yuǎn)鏡物鏡焦距。實(shí)驗(yàn)的重與難點(diǎn)1、理解駐波法和位相法測聲波波長的原理。2、測超聲波的波長。儀器簡介超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀由超聲信號源、超聲池、高頻信號連接線、測微目鏡等組成，并配置了具有11MHz左右共振頻率的鋯鈦酸鉛陶瓷片。超聲信號源面板如圖所示：圖1 超聲信號源面板示意圖1、電源開關(guān) 2、頻率微調(diào)旋鈕3、高頻信號輸出端（無正負(fù)極區(qū)別） 4、頻率顯示窗超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀配合分光計(jì)使用時(shí)，各部件的放置如圖所示：預(yù)習(xí)要求1、了解超聲光柵產(chǎn)生的原理

4、。2、了解聲波如何對光信號進(jìn)行調(diào)制。3、通過對液體（非電解質(zhì)溶液）中的聲速的測定，加深對其概念的理解。預(yù)習(xí)思考1、實(shí)驗(yàn)時(shí)，聲速儀的頻率應(yīng)調(diào)整到PZT晶片的共振頻率，這樣衍射條紋才會(huì)顯著增多且更為明亮。在調(diào)節(jié)頻率過程中，衍射條紋會(huì)有怎么樣的變化？為什么會(huì)有這樣的變化？2、由駐波理論，相鄰波腹間和相鄰波節(jié)間的距離都等于半波長，為什么超聲光柵常數(shù)等于超聲波的波長？3、本實(shí)驗(yàn)如何保證平行光束垂直聲波的方向？4、本實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裼免c燈作為光源？5、試比較超聲光柵與平面光柵的異同。注意事項(xiàng)1、超聲池置于載物臺(tái)上必須穩(wěn)定，以使超聲在液槽內(nèi)形成穩(wěn)定的駐波，在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)避免震動(dòng)。導(dǎo)線分布電容的變化會(huì)對輸出信號頻率有

5、微小影響，因此不要用手觸碰連接超聲池和信號源的兩條導(dǎo)線；2、鋯鈦酸鉛陶瓷片表面與對應(yīng)面的玻璃槽壁表面必須平行，此時(shí)才會(huì)形成較好的表面駐波，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)將超聲池的上蓋蓋平，而上蓋與玻璃槽留有較小的空隙，實(shí)驗(yàn)時(shí)微微扭動(dòng)一下上蓋，有時(shí)也會(huì)使衍射效果有所改善；3、一般共振頻率在11.3MHz左右，WSG-I超聲光柵儀給出1012MHz可調(diào)范圍。在穩(wěn)定共振時(shí)，數(shù)字頻率計(jì)顯示的頻率值應(yīng)是穩(wěn)定的，最多只有最末尾有12個(gè)單位數(shù)的變動(dòng)；4、實(shí)驗(yàn)時(shí)間不宜過長，其一，聲波在液體中的傳播與液體溫度有關(guān)，時(shí)間過長，溫度可能在小范圍內(nèi)有變動(dòng)，從而會(huì)影響測量精度。一般測量待測液體溫度可同于室溫，精密測量可在超聲池內(nèi)插入溫度計(jì)測量；其二，頻率計(jì)長時(shí)間處于工作狀態(tài)，會(huì)對其性能有一定影響，尤其在高頻條件下有可能會(huì)使電路過熱而損壞。實(shí)驗(yàn)時(shí)，特別注意不要使頻率長時(shí)間調(diào)在12MHz以上，以免振蕩線路過熱； 5、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，可用酒精或乙醚清洗干凈，或用鏡頭紙擦凈；6、實(shí)驗(yàn)中液槽里會(huì)有一定的熱量產(chǎn)生，并導(dǎo)致媒質(zhì)揮發(fā)，槽壁會(huì)見揮發(fā)氣體凝露，一般不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但須注意液面下降太多致鋯鈦