1、快南沖我人呼SHAANXI NORMAL UNIVERSITY實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說明書題目：利用超聲光柵測(cè)液體中的聲速院 部：理工科基礎(chǔ)教學(xué)部專業(yè)班級(jí)：物理學(xué)（創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班）1班學(xué)生姓名：某某某學(xué) 號(hào)：41106XXX實(shí)驗(yàn)日期：2013 年5月21日超聲光柵測(cè)液體中的聲速人耳能聽到的聲波，其頻率在16Hz至ij 20kHz范圍內(nèi)。超過20Hz的機(jī)械波稱 為超聲波。光通過受超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為聲光效 應(yīng)。利用聲光效應(yīng)測(cè)量超聲波在液體中傳播速度是聲光學(xué)領(lǐng)域具有代表性的實(shí) 驗(yàn)。-、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)習(xí)聲光學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想及其基本的觀測(cè)方法。（2）測(cè)定超聲波在液體中的傳播速度。（3） 了解

2、超聲波的產(chǎn)生方法。二、儀器用具分光計(jì)，超聲光柵盒，高頻振蕩器，數(shù)字頻率計(jì)，納米燈三、實(shí)驗(yàn)原理將某些材料（如石英、花酸鋰或皓鈦酸鉛陶瓷等）的晶體沿一定方向切割成 晶片，在其表面上加以交流電壓，在交變電場(chǎng)作用下，晶片會(huì)產(chǎn)生與外加電壓頻 率相同的機(jī)械振動(dòng)，這種特性稱為晶體的反壓電效應(yīng)。把具有反壓電效應(yīng)的晶片 置于液體介質(zhì)中，當(dāng)晶片上加的交變電壓頻率等于晶片的固有頻率時(shí)， 晶片的振 動(dòng)會(huì)向周圍介質(zhì)傳播出去，就得到了最強(qiáng)的超聲波。正文：光聲效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)無疑是物理學(xué)兩大分支的又一次融合，利用超聲光柵測(cè)量液 體中的聲速就是這一物理現(xiàn)象的應(yīng)用。此次實(shí)驗(yàn)的儀器包括超聲光柵池、超聲儀、 分光計(jì)、測(cè)微目鏡以及光源。由

3、于聲波是縱波，所以 當(dāng)超聲波在液體（本實(shí)驗(yàn)用 的是水）傳播時(shí)，聲波的振 動(dòng)會(huì)引起液體密度空間分布 的周期性變化（如右圖），進(jìn) 而導(dǎo)致液體的折射率亦呈周 期性分布（如右圖）。如果在 某一時(shí)間to,液體密度的空 問函數(shù)為：x 0 sinst0 x 其中，0是液體的靜態(tài)密度，是密度的變化幅度，s是超聲波的角頻率，是超聲波長，X是超聲波的傳播方向，也是密度變化的空間方向；此時(shí)，折射率的空間函數(shù)為：n xnonsinstox，其中no為液體的靜態(tài)折射率（或稱之為平均折射率），n為折射率的變化幅度（這個(gè)結(jié)論是以“同種物質(zhì)的 折射率與其密度成正比”為前提的）。試驗(yàn)裝置原理圖如下圖所示（蕓）光路系統(tǒng)9心G7超

4、聲光柵 聲速僅面板1光源；2熊縫；4液體槽,5栽物臺(tái)mT望遠(yuǎn)撞筒;6測(cè)微目鏡;1 0電源開關(guān)二11領(lǐng)率調(diào)節(jié);3平行光首宗6船聚娉年;9頻率顯示二12信號(hào)輸出m方向?yàn)榧^所示方向矩形A就是超聲光柵槽，超聲波傳播方向垂直于光的傳 播方向，當(dāng)超聲源B發(fā)出的超聲波傳播到A面，被反射回來，與入射波相干，形 成駐波其密度空間結(jié)構(gòu)滿足式，其折射率滿足式（將t0換成t , t為變量）， 又由于光速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲速，故當(dāng)光穿過超聲光柵時(shí)，可認(rèn)為折射率不隨時(shí)間變化，n xnonsin 乙 x呈周期性變化，則可看做一個(gè)平面光柵，且其光柵常數(shù)為，因?yàn)槠淇臻g結(jié)構(gòu)的分布周期為。有光柵方程可知：sin j， j Z其中0為光在

5、真空中的波長。另一方面，當(dāng)光想通過光柵形成的衍射條紋落在測(cè)微目鏡的焦平面上，其衍 射角還可以表示為：tan sin 其中f為測(cè)微目鏡的焦距，所以就有八 二，于是二 ,，式子中的Vs就是要測(cè)的聲速，其中fs為超聲波 fffsfs Vs的頻率，其值可以由超聲儀讀出，這樣，就測(cè)出了聲速，其表達(dá)式為Vs .X四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟(1)調(diào)節(jié)分光計(jì)到正常測(cè)量狀態(tài)。(2)將線路連接好，在超聲光柵盒中加入適當(dāng)?shù)乃瑢⒊暪鈻藕蟹旁诜止庥?jì) 的載物臺(tái)上，使超聲波的傳播方向與入射波垂直。(3)確定高頻電壓的頻率。適當(dāng)調(diào)節(jié)高頻電壓的頻率，微微調(diào)節(jié)壓電換能器與 反射器之間的距離，以便觀察最佳的衍射條紋。實(shí)驗(yàn)過程，第一步，

6、對(duì)分光計(jì)進(jìn) 行準(zhǔn)直調(diào)節(jié)；第二步，在超聲光柵池中倒入清水；第三步，打開光源，在測(cè)微目 鏡中能夠看到一條白色豎直亮條紋， 微調(diào)測(cè)微目鏡的距離，使條紋變得清晰；第 四步，打開超聲源開關(guān)，并調(diào)節(jié)超聲波頻率，使視野中出現(xiàn)盡可能多的衍射條紋(如圖所示)；第五步，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微目鏡上的螺旋測(cè)微器旋鈕，記錄每條條紋的相對(duì)位置，并求其條紋間距x (用逐差法)；利用公式，求出聲速。此次實(shí)驗(yàn)所用超聲波頻率fs 9.72MHz測(cè)微目鏡焦距f 170mm,光在真 空中的波長0=598nm ,測(cè)得數(shù)據(jù)如下表所示:j-3-2-10123x/mm4.0554.6105.2755.9386.5917.2507.910用逐差法求條紋間

7、距,所以，求得聲速為：Vsc 7.910 5.938 7.250 5.275 6.591 4.6103x 3x 0.659mm0 ffs 598nm 170mm 9.72MHz -,，- -1499.4m/ sx0.659mm由于實(shí)驗(yàn)只有一組數(shù)據(jù)測(cè)量，故無不確定度。所以，測(cè)量結(jié)果：v 1499.4m/s注意事項(xiàng)：、實(shí)驗(yàn)所用超聲儀易發(fā)熱，為了不使儀器過熱，應(yīng)該盡快記錄數(shù)據(jù)，然 后切斷電源。、實(shí)驗(yàn)結(jié)束，超聲池中的水應(yīng)盡快清理，不應(yīng)長時(shí)間浸泡在液體槽內(nèi)。、超聲儀的頻率易受外界變化的影響，只要外界變化使其導(dǎo)線電容分布 變化，就會(huì)對(duì)輸出頻率產(chǎn)生影響，因此應(yīng)盡量避免震動(dòng)以及觸碰導(dǎo)線。、共振頻率一般在10M

8、Hz左右，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡量避免超聲儀的頻率高于 11MHz, 一面電路過熱。思考、由公式要得到公式，必須首先知道一個(gè)前提條件，就是，同種物 質(zhì)的折射率與其密度成正比，如果不是，則不能推出，理由是，如果折射率和 密度無關(guān)或成其他關(guān)系，則液體的密度呈周期性分布時(shí)，其折射率可能不變或成 其他關(guān)系，只是周期性仍然存在。、在的前提之下，載有超聲波的液體為什么與熟悉的平面光柵有同樣 的效果？這是因?yàn)椋?dāng)折射率成周期性分布時(shí)，平行光垂直與超聲波傳播方向通 過液體時(shí)，不同位置光的光程不一樣，就相當(dāng)于光線通過了折射率相同而寬度呈 周期性變化的透明玻璃，故會(huì)發(fā)生衍射。、任意頻率的超聲波在此實(shí)驗(yàn)中都可以形成駐波，而在于壓電換能器達(dá) 到共振是衍射條紋才會(huì)明顯增多而且明亮， 這是因?yàn)椋绻l率與共振頻率相差 較大時(shí)，雖然已經(jīng)形成光柵，但是還可能不夠明顯，對(duì)光的衍射較微弱，現(xiàn)象不 明顯，所以只有在達(dá)到共振時(shí)才有明顯的衍射條紋。、由于實(shí)驗(yàn)中所用的光是白光，經(jīng)過衍射會(huì)發(fā)生色散現(xiàn)象，這對(duì)測(cè)量條 紋間距造成了一定的困難，若用單色鈉光源，則實(shí)驗(yàn)效果更佳；本實(shí)驗(yàn)中，由于 光的色散，會(huì)出現(xiàn)彩色條紋帶，為了與規(guī)定相符，記錄數(shù)據(jù)時(shí)，記錄黃色光所產(chǎn) 生的條紋的位置，作為條紋位置，上面圖片中呈現(xiàn)綠色是因?yàn)檎障鄼C(jī)的原因。、由于實(shí)驗(yàn)中超聲儀的頻率很不穩(wěn)定，很難抓住條紋數(shù)目最多的時(shí)刻，這對(duì)實(shí)驗(yàn)造成了一定困難。實(shí)