超聲光柵實(shí)驗(yàn)(陳文欽指導(dǎo)學(xué)生必看)

1、物理物理文明文明超聲光柵實(shí)驗(yàn)（超聲光柵實(shí)驗(yàn)（2606）物理物理文明文明物理物理文明文明實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理儀器介紹儀器介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)數(shù)據(jù)處理要求數(shù)據(jù)處理要求思考題思考題目目 錄錄物理物理文明文明（一）（一） 教師示范操作結(jié)束前不可移動(dòng)、擺弄儀器用教師示范操作結(jié)束前不可移動(dòng)、擺弄儀器用具！具?。ǘǘ?不可觸摸光學(xué)元件的光學(xué)面！不可觸摸光學(xué)元件的光學(xué)面?。ㄈㄈ?鈉燈需預(yù)熱五分鐘后方可使用，不可反復(fù)開(kāi)關(guān)！鈉燈需預(yù)熱五分鐘后方可使用，不可反復(fù)開(kāi)關(guān)?。ㄋ模ㄋ模?實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)使用220V市電電源，注意用電安全！市電電源，注意用電安

2、全！注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)物理物理文明文明 19221922年布里淵（年布里淵（L LBrillouinBrillouin）曾預(yù)言，當(dāng)高頻聲）曾預(yù)言，當(dāng)高頻聲波在液體在傳播時(shí)，如果有可見(jiàn)光通過(guò)該液體，可見(jiàn)波在液體在傳播時(shí)，如果有可見(jiàn)光通過(guò)該液體，可見(jiàn)光將產(chǎn)生衍射效應(yīng)。這一預(yù)言在光將產(chǎn)生衍射效應(yīng)。這一預(yù)言在1010年后被驗(yàn)證，這一年后被驗(yàn)證，這一現(xiàn)象被稱(chēng)作聲光效應(yīng)。現(xiàn)象被稱(chēng)作聲光效應(yīng)。19351935年，拉曼（年，拉曼（RamanRaman）和奈）和奈斯（斯（NathNath）對(duì)這一效應(yīng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，）對(duì)這一效應(yīng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，聲光效應(yīng)的衍射光強(qiáng)分布類(lèi)似于普通的光柵，所以也聲

3、光效應(yīng)的衍射光強(qiáng)分布類(lèi)似于普通的光柵，所以也稱(chēng)為液體中的超聲光柵。稱(chēng)為液體中的超聲光柵。實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介物理物理文明文明聲光效應(yīng)的應(yīng)用聲光效應(yīng)的應(yīng)用 用聲光效應(yīng)制成聲光器件，如聲光調(diào)制器、聲光偏用聲光效應(yīng)制成聲光器件，如聲光調(diào)制器、聲光偏 轉(zhuǎn)器，在激光技術(shù)、光信號(hào)處理和集成光通信技術(shù)轉(zhuǎn)器，在激光技術(shù)、光信號(hào)處理和集成光通信技術(shù) 等方面有著重要的應(yīng)用。等方面有著重要的應(yīng)用。 激光雷達(dá)掃描、電視大屏幕顯示器的掃描、高激光雷達(dá)掃描、電視大屏幕顯示器的掃描、高 清晰圖像傳真、光信息儲(chǔ)存。清晰圖像傳真、光信息儲(chǔ)存。物理物理文明文明實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?1.了解超聲致光衍射的原理了解超聲致光衍射的原理;2.

4、掌握利用聲光效應(yīng)測(cè)定液體中聲速的方法；掌握利用聲光效應(yīng)測(cè)定液體中聲速的方法；3.掌握測(cè)微目鏡的使用方法掌握測(cè)微目鏡的使用方法物理物理文明文明實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 壓電效應(yīng)：對(duì)某些電介質(zhì)晶體施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，晶體因內(nèi)部壓電效應(yīng)：對(duì)某些電介質(zhì)晶體施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，晶體因內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，導(dǎo)致晶體兩端面上正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，導(dǎo)致晶體兩端面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比。這種出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比。這種沒(méi)有電場(chǎng)作用，由機(jī)械應(yīng)力的作用而使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化沒(méi)有電場(chǎng)作用，由機(jī)械應(yīng)力的作用而使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象稱(chēng)

5、為壓電效應(yīng)。當(dāng)機(jī)械應(yīng)力由壓并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。當(dāng)機(jī)械應(yīng)力由壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力時(shí)，電荷符號(hào)也改變。應(yīng)力變成拉應(yīng)力時(shí)，電荷符號(hào)也改變。 電致伸縮效應(yīng)：與壓電效應(yīng)相反，將具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)電致伸縮效應(yīng)：與壓電效應(yīng)相反，將具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)晶體置于電場(chǎng)中，電場(chǎng)的作用引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心晶體置于電場(chǎng)中，電場(chǎng)的作用引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對(duì)位移，而這一位移又導(dǎo)致介質(zhì)晶體發(fā)生形變，晶體產(chǎn)生相對(duì)位移，而這一位移又導(dǎo)致介質(zhì)晶體發(fā)生形變，晶體的這種由外加電場(chǎng)產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)也叫電致的這種由外加電場(chǎng)產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)也叫電致伸縮效應(yīng)。晶體形變的大小與外加電場(chǎng)強(qiáng)

6、度成正比，當(dāng)電場(chǎng)伸縮效應(yīng)。晶體形變的大小與外加電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，當(dāng)電場(chǎng)反向時(shí)，形變也改變符號(hào)。反向時(shí)，形變也改變符號(hào)。物理物理文明文明1、 壓電陶瓷換能器與超聲波壓電陶瓷換能器與超聲波利用壓電陶瓷逆效應(yīng)，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（20000Hz)，物理物理文明文明 超聲波縱波在盛有液體的玻璃槽中傳播時(shí)，液體被周期性地壓縮與膨超聲波縱波在盛有液體的玻璃槽中傳播時(shí)，液體被周期性地壓縮與膨脹，其密度會(huì)發(fā)生周期性的變化，形成疏密波。稀疏作用會(huì)使液體密脹，其密度會(huì)發(fā)生周期性的變化，形成疏密波。稀疏作用會(huì)使液體密度減

7、小、折射率減小。壓縮作用會(huì)使液體密度增大、折射率增大，因度減小、折射率減小。壓縮作用會(huì)使液體密度增大、折射率增大，因此液體密度的周期變化，導(dǎo)致其折射率也呈周期變化。若超聲行波以此液體密度的周期變化，導(dǎo)致其折射率也呈周期變化。若超聲行波以平面波的形式沿平面波的形式沿X軸正方向傳播時(shí)，波動(dòng)方程可描述為軸正方向傳播時(shí)，波動(dòng)方程可描述為 式中式中y代表各質(zhì)點(diǎn)沿代表各質(zhì)點(diǎn)沿x方向偏離平衡位置的位移，方向偏離平衡位置的位移，Am表示質(zhì)點(diǎn)的最大位表示質(zhì)點(diǎn)的最大位移量，移量，Ts為超聲波的周期，為超聲波的周期， s為超聲波的波長(zhǎng)。圖一給出了某時(shí)刻液為超聲波的波長(zhǎng)。圖一給出了某時(shí)刻液體內(nèi)傳播的超聲波形（為表示方

8、便，圖中質(zhì)點(diǎn)沿體內(nèi)傳播的超聲波形（為表示方便，圖中質(zhì)點(diǎn)沿x方向的位移表示到方向的位移表示到豎直方向上了）。豎直方向上了）。2、 超聲光柵形成原理超聲光柵形成原理(1) 超聲波駐波ssmxTtAy2cos物理物理文明文明物理物理文明文明圖圖1 1 初始時(shí)刻的波形圖初始時(shí)刻的波形圖 圖圖2 T/42 T/4周期時(shí)刻的波形圖周期時(shí)刻的波形圖圖圖3 T/23 T/2周期時(shí)刻的波形圖周期時(shí)刻的波形圖物理物理文明文明從圖從圖1-1-圖圖3 3中我們可以看中我們可以看到駐波在到駐波在T/2T/2個(gè)周期內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)個(gè)周期內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)處密度變化情況，從圖中看出處密度變化情況，從圖中看出奇數(shù)點(diǎn)不發(fā)生振動(dòng)，這樣的點(diǎn)奇數(shù)點(diǎn)不

9、發(fā)生振動(dòng)，這樣的點(diǎn)為波節(jié)，且波節(jié)與波節(jié)處相距為波節(jié)，且波節(jié)與波節(jié)處相距/2/2，相鄰節(jié)點(diǎn)處的密度變化，相鄰節(jié)點(diǎn)處的密度變化不一致，而相隔一個(gè)節(jié)點(diǎn)處密不一致，而相隔一個(gè)節(jié)點(diǎn)處密度變化一致。這就說(shuō)明密度具度變化一致。這就說(shuō)明密度具有相同變化周期的最小間隔是有相同變化周期的最小間隔是。反射板反射板反射板物理物理文明文明(2) 超聲光柵超聲光柵 在距離等于波長(zhǎng)的兩點(diǎn)，液體的密度相同，在距離等于波長(zhǎng)的兩點(diǎn)，液體的密度相同，折射率也相同，若波長(zhǎng)為折射率也相同，若波長(zhǎng)為的的單色平行光單色平行光沿著沿著垂直于超聲波傳播方向通過(guò)上述液體時(shí)，因折垂直于超聲波傳播方向通過(guò)上述液體時(shí)，因折射率的周期變化使光波的波陣面

10、產(chǎn)生了相應(yīng)的射率的周期變化使光波的波陣面產(chǎn)生了相應(yīng)的位相差，經(jīng)透鏡聚焦出現(xiàn)衍射條紋，相當(dāng)于一位相差，經(jīng)透鏡聚焦出現(xiàn)衍射條紋，相當(dāng)于一超聲光柵，其光柵常數(shù)為超聲光柵，其光柵常數(shù)為。 實(shí)際上，超聲光柵是移動(dòng)的實(shí)際上，超聲光柵是移動(dòng)的,由超聲波的頻率由超聲波的頻率決定，但光的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超聲波的頻率，故決定，但光的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超聲波的頻率，故對(duì)光而言此光柵可認(rèn)為是靜止的對(duì)光而言此光柵可認(rèn)為是靜止的.物理物理文明文明3 、光柵方程、光柵方程光柵方程光柵方程缺級(jí)若明紋, 2 , 1 , 0,3 , 2 , 1 , 0,sinkkadkkkd物理物理文明文明本實(shí)驗(yàn)中本實(shí)驗(yàn)中flkkss光柵常數(shù)為超聲波長(zhǎng)f

11、lkkktansin入射光波長(zhǎng)入射光波長(zhǎng) 取取589.30nmkslfkV為衍射零級(jí)譜線至第為衍射零級(jí)譜線至第k級(jí)譜線的距離級(jí)譜線的距離為凸透鏡為凸透鏡2的焦距的焦距為超聲波波長(zhǎng)為超聲波波長(zhǎng)為超聲波在液體中的傳播速度為超聲波在液體中的傳播速度為信號(hào)源的振動(dòng)頻率為信號(hào)源的振動(dòng)頻率klfsVsinkdk物理物理文明文明實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器FB760-8型型超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀（數(shù)字顯示高頻功率信超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀（數(shù)字顯示高頻功率信號(hào)源，內(nèi)裝壓電陶瓷片號(hào)源，內(nèi)裝壓電陶瓷片PZTPZT的液槽）、鈉光燈、狹的液槽）、鈉光燈、狹縫、凸透鏡縫、凸透鏡1 1、凸透鏡、凸透鏡2 2、測(cè)微目鏡、水、測(cè)微目鏡、水物理物理文明文

12、明（a）是一種常見(jiàn)的絲杠式測(cè)微目鏡的結(jié)構(gòu)剖面圖。鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)）是一種常見(jiàn)的絲杠式測(cè)微目鏡的結(jié)構(gòu)剖面圖。鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過(guò)傳動(dòng)螺旋推動(dòng)叉絲玻片移動(dòng)；鼓輪反轉(zhuǎn)時(shí)，叉絲玻片時(shí)通過(guò)傳動(dòng)螺旋推動(dòng)叉絲玻片移動(dòng)；鼓輪反轉(zhuǎn)時(shí)，叉絲玻片因受彈簧恢復(fù)力作用而反向移動(dòng)。有因受彈簧恢復(fù)力作用而反向移動(dòng)。有100個(gè)分格的鼓輪每轉(zhuǎn)一個(gè)分格的鼓輪每轉(zhuǎn)一周，叉絲移動(dòng)周，叉絲移動(dòng)1mm，所以鼓輪上的最小刻度為，所以鼓輪上的最小刻度為0.01mm。（。（b）表示通過(guò)目鏡看到的固定分劃板上的毫米尺、可移動(dòng)分劃板表示通過(guò)目鏡看到的固定分劃板上的毫米尺、可移動(dòng)分劃板上的叉絲與豎絲以及被觀測(cè)的幾條干涉條紋。上的叉絲與豎絲以及被觀測(cè)的幾條干涉條紋

13、。物理物理文明文明例：為了測(cè)量干涉條紋中的例：為了測(cè)量干涉條紋中的10個(gè)明（或個(gè)明（或暗）條紋距離，可以使叉絲和豎絲對(duì)準(zhǔn)暗）條紋距離，可以使叉絲和豎絲對(duì)準(zhǔn)第第n個(gè)明（或暗）條紋，先讀毫米標(biāo)尺個(gè)明（或暗）條紋，先讀毫米標(biāo)尺上的整數(shù)，再加上鼓輪上的小數(shù)，即為上的整數(shù)，再加上鼓輪上的小數(shù)，即為該條紋的位置該條紋的位置A。再慢慢移動(dòng)叉絲和豎。再慢慢移動(dòng)叉絲和豎絲，對(duì)準(zhǔn)第絲，對(duì)準(zhǔn)第n+10個(gè)明（或暗）條紋，得個(gè)明（或暗）條紋，得到位置到位置B。若。若A=2.735mm, B=4.972mm, 則則11個(gè)條紋間的個(gè)條紋間的10個(gè)距離就是個(gè)距離就是: 10 x = B-A = 4.972-2.375 = 2

14、.237mm。注意：注意：1、測(cè)微、測(cè)微目鏡的豎絲或叉目鏡的豎絲或叉絲交點(diǎn)只能在量絲交點(diǎn)只能在量程范圍程范圍內(nèi)（一般內(nèi)（一般取取mm）移）移動(dòng)；動(dòng)；2、測(cè)量時(shí)，只、測(cè)量時(shí)，只能沿一個(gè)方向旋能沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)讀數(shù)鼓輪，避轉(zhuǎn)讀數(shù)鼓輪，避免空程誤差；免空程誤差；物理物理文明文明實(shí)驗(yàn)步驟與內(nèi)容實(shí)驗(yàn)步驟與內(nèi)容1.將器件按圖放置。將器件按圖放置。2.調(diào)節(jié)鈉燈與狹縫高度；點(diǎn)亮鈉燈，照亮狹縫。調(diào)節(jié)鈉燈與狹縫高度；點(diǎn)亮鈉燈，照亮狹縫。 3.調(diào)節(jié)狹縫與透鏡調(diào)節(jié)狹縫與透鏡L1的位置，使狹縫與光具座垂直的位置，使狹縫與光具座垂直（光具座水平，狹縫豎直），狹縫中心法線與透鏡（光具座水平，狹縫豎直），狹縫中心法線與透鏡L1

15、的光軸的光軸(即主光軸即主光軸)重合，且與光具座平行，二者間距重合，且與光具座平行，二者間距為透鏡為透鏡L1的焦距（即透鏡的焦距（即透鏡L1射出平行光）。射出平行光）。物理物理文明文明4.調(diào)節(jié)透鏡調(diào)節(jié)透鏡L2與測(cè)微目鏡的高度，使二者光軸與主與測(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。光軸重合。調(diào)焦目鏡，使十字絲清晰。5.調(diào)節(jié)鈉燈位置，使鈉燈照射在狹縫上，并且上下調(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(chēng)，光強(qiáng)適宜。均勻，左右對(duì)稱(chēng)，光強(qiáng)適宜。6將待測(cè)液體（自來(lái)水）注入液槽，將液槽放置于將待測(cè)液體（自來(lái)水）注入液槽，將液槽放置于光具座光具座載物臺(tái)上，放置時(shí)，使液

16、槽兩側(cè)表面基本垂直上，放置時(shí)，使液槽兩側(cè)表面基本垂直于主光軸（于主光軸（液槽內(nèi)超聲波傳播方向垂直）。7.將高頻連接線的一端接入液槽蓋板上的接線柱，另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。一端接入超聲光柵儀上的輸出端。8調(diào)節(jié)測(cè)微目鏡與透鏡調(diào)節(jié)測(cè)微目鏡與透鏡L2的位置。使目鏡中能觀察的位置。使目鏡中能觀察到清晰的衍射條紋。到清晰的衍射條紋。物理物理文明文明 9前后移動(dòng)液槽，從目鏡中觀察條紋間距是否改前后移動(dòng)液槽，從目鏡中觀察條紋間距是否改變，若是，則改變透鏡變，若是，則改變透鏡L1的位置，直到條紋間距不變。的位置，直到條紋間距不變。10微調(diào)超聲光柵儀上的調(diào)頻旋鈕

17、，使信號(hào)源頻率與微調(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)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(chēng)性。重復(fù)上述操作，直到從目鏡中觀察到清度及對(duì)稱(chēng)性。重復(fù)上述操作，直到從目鏡中觀察到清晰而對(duì)稱(chēng)穩(wěn)定的晰而對(duì)稱(chēng)穩(wěn)定的24級(jí)衍射條紋為止（使衍射的譜線出級(jí)衍射條紋為止（使衍射的譜線出現(xiàn)間距最大，且最清晰的狀態(tài)）記錄此時(shí)的信號(hào)源頻現(xiàn)間距最大，且最清晰的狀態(tài)）記錄此時(shí)

18、的信號(hào)源頻率。率。11.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)部件的螺紋間隙產(chǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微目鏡鼓輪，以消除轉(zhuǎn)動(dòng)部件的螺紋間隙產(chǎn)生的空程誤差（例如：從生的空程誤差（例如：從3、0、+3）。）。物理物理文明文明數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)記錄備注：入射光波長(zhǎng) ：589.30nm，信號(hào)源的振動(dòng)頻率 ： Hz 凸透鏡2的焦距 ： mm；實(shí)驗(yàn)室水溫： f衍射級(jí)數(shù)衍射級(jí)數(shù)k-3-2-10123譜線位置譜線位置讀數(shù)讀數(shù) (mm)kl物理物理文明文明數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理32121321kkkkkkkLLLLLLl物理物理文明文明9363589.3 10

19、157.0 109.130 101437(m/s)0.588 10kfVl %8 . 1%100146414371464%100ttVVVE20時(shí)，水（H2O）中標(biāo)準(zhǔn)聲速vS=1480.0m/s )(00ttVVt= 14802.5（13.720）1464 m/s物理物理文明文明思考題思考題1駐波波節(jié)之間距離為半個(gè)波長(zhǎng)，為什么超聲光駐波波節(jié)之間距離為半個(gè)波長(zhǎng)，為什么超聲光柵的光柵常數(shù)等于超聲波的波長(zhǎng)？柵的光柵常數(shù)等于超聲波的波長(zhǎng)？2. 測(cè)微目鏡測(cè)量譜線位置讀數(shù)時(shí)，為什么只能沿測(cè)微目鏡測(cè)量譜線位置讀數(shù)時(shí)，為什么只能沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)？一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)？3. 如果在目鏡中觀察不到衍射條紋，請(qǐng)分析其原因。如果在目鏡中觀察不到衍射條紋，請(qǐng)分析其原因。4. 如果在目鏡中觀察到的衍射條紋條數(shù)過(guò)少，請(qǐng)分如果在目鏡中觀察到的衍射條紋條數(shù)過(guò)少，請(qǐng)分析其原因。析其原因。物理物理文明文明注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)1.調(diào)節(jié)個(gè)器件時(shí)，注意保持其同高共軸調(diào)節(jié)個(gè)器件時(shí)，注意保持其同高共軸同軸等高的調(diào)節(jié)，以凸透鏡1光軸為主光軸；2.液槽置于載物臺(tái)