超聲光柵實驗報告

土”士、1‘+nn實驗報告一、實驗目的與實驗儀器1.實驗目的（1） 了解超聲光柵的原理和使用；（2）利用超聲光柵聲速儀測量超聲波在水中的傳播速度。2.實驗儀器GSG—1型超聲光柵聲速儀、超聲發(fā)生器（工作頻率9~13MHz）、換能器、液槽、JJY-r型分光儀（物鏡焦距f=168mm）、測微目鏡（測微范圍8mm）、放大鏡、待測液及光源（鈉燈或汞燈）等。二實驗原理介質受到超聲波周期性的擾動，其折射率也將發(fā)生變化，此時光通過這種介質,就像透過投射光柵一樣，這種現(xiàn)象稱為超聲致光衍射,把這種載有超聲波的透明介質稱為超聲光柵。利用超聲光柵可以計算超聲波在透明介質中的速度。設超聲波在液體中以平面波形式沿x方向，在x方向液體中波的形式如下：tXyi=A.COS[2n?（f；一石）]式中，刃為偏離平衡位置的位移量；A■為振幅，Ts為超聲波周期，Xs為超聲波波長。若在垂直x方向有一反射平面，則超聲波被平面反射后沿x反方向傳播，有如下方程:y2=Aacos[2兀?伉+花）]

當正反兩方向的平面波疊加形成駐波時，平衡位置的偏移量為y=yi+yz=2A?cos2兀I；cos2兀T；超聲波形成駐波時，壓縮作用使節(jié)點處折射率增大，稀疏作用使遠離節(jié)點處折射率變小，這樣液體折射率就出現(xiàn)周期性變化，平行光沿著與超聲波傳播方向呈一定夾角的方向通過時會被衍射。由光柵方程可知：Asin嘰二k入式中，k為衍射級次，機為k級衍射角。超聲光柵光路圖如下所示：在右側望遠鏡中可觀察到衍射條紋。從上圖中幾何關系可知：tanj當?k很小時，有?心 *sin<pk=j式中，lk為零級衍射到k級衍射之間的距離，f為透鏡焦距，則超聲波波長為k入 kAfA=sin必二"V超聲波在液體中傳播速度為kAf kfvV=AV二石?V二瓦式中，v是換能器共振頻率，△"為同一波長光相鄰衍射級別衍射條紋間距。三、實驗步驟分光計的調整：用自準直法使望遠鏡聚焦于無窮遠，望遠鏡的光軸與分光計的轉軸中心垂直，平行光管與望遠鏡同軸并出射平行光，調節(jié)望遠鏡使觀察到的狹縫清晰；將待測液體注入超聲池，液面高度以液體槽側面的液體高度刻線為準；將超聲池放置于分光計的載物臺上，使超聲池兩側表面基本垂直于望遠鏡和平行光管的光軸；兩支高頻連接線的一端插入超聲池蓋板接線柱，另一端接入超聲信號源的高頻輸出端，然后將液體槽蓋板蓋在液體槽上；開啟超聲信號源電源，從阿貝目鏡觀察衍射條紋，細微調節(jié)電振蕩頻率與錯鈦酸鉛陶瓷片固有頻率共振，此時，衍射光譜的級次會顯著增多且更為明亮，仔細調節(jié)，可觀察到左右各3—4級以上的衍射光譜；取下阿貝目鏡，換上測微目鏡，調焦目鏡，使清晰觀察到的衍射條紋。利用測微目鏡逐級測量其位置讀數(shù)并記錄?！鰯?shù)

1.1.數(shù)據(jù)記錄條紋位置度數(shù)（單位：mm）-3-2-10123藍1.8782.4803.1053?6804.2704.8365.536綠1.4052.1672.9453.6804.4595.2055.962黃1.2822.0702.8803.6804.5355.3266.143換能器共振頻率：v=9.579MHz2.逐差法求條紋間距藍光：嘰綠光：皿2二黃光：呱(4.270-1.878)+ (4.836-2.480) +(5.536一3.105)藍光：嘰綠光：皿2二黃光：呱(4.270-1.878)+ (4.836-2.480) +(5.536一3.105)(4.459-1.405)4x3+ (5.205-2.167)+(5.962-2.945)(4.535-1.282)4x3+(5.326-2.070)+ (6.143-2.880)二0.598二0.7594x3=0.8143.計算超聲波在酒精中速度435.8x10-9x168x10-3x9.579xIO6利用藍光計算:Alfv0.598x10-(mm)(mm)(mm)二1172.8(m/s)利用綠光計算:A2fv也二?！龆?46.1x10-利用綠光計算:A2fv也二?！龆?46.1x10-9x!68x10-3x9.579x1060.759x10-二1157.8(m/s)利用黃光計算:A3fvV3二碩利用黃光計算:A3fvV3二碩=578.0x10-9x168x10-3x9.579xIO60.814x10-二1142.7(m/s)則超聲波在酒精中聲速：v則超聲波在酒精中聲速：v1172.8+1157.8+1142.71157.8(m/s)聲速v不確定度嘰1）頻率不確定度：=△儀二0.02MHz2）""不確定度相鄰條紋間距（單位:

級次差仃-/一3(2-1-2(3_(一1平均值444藍0.5980.5890.6080.598綠0.7640.7600.7770.759黃0.8130.8140.8160.814藍光：si(Mi)= "=5.8625X10一治：2U(Mi)二JG)2氏+顯=x/252x5.8625x10-5+0.0042=0.0196mm①綠光：si??二'：=Plxy=54347X10"W2U(A“2)二JG)2s沿島=x/2.52x5.4347x10"5+0.0042=0.0189mm①黃光：s嚴3①黃光：s嚴3)U(皿3)==1.1X1。6mm'=v；2.52x1.1x10^+0.00420.00478mm3)聲速v的不確定度U.U"=VJ(齣毗+(竽)戀=v +(刊=1172.8XJ(o^8)2x0.0196-+(^)2xO.O22=33.5(ra/s)%=』(皺)2血+(讐)戀=7(莎毗+(；阿=1157.8X^i|f(o^9)2x0,O1892+(^)2xO.O22=28.9(m/s)嘰▼，怪血+鬻啓=vJG)2%+C)m=1147.7XJ(爲尸x0.004782+(磊尸x0.0刁二y.2(m/s)嘰=；xJU&+ +U幺=；x(38.52+283十代=162(m/s)則超聲波在酒精中傳播速率 v=(1157.8土16.2)m/s五、分析討論(提示：分析討論不少于400字)本次實驗數(shù)據(jù)使用逐差法減小了實驗誤差。逐差法是針對自變量等量變化，因變量也做等量變化時，所測得有序數(shù)據(jù)等間隔相減后取其逐差平均值得到的結果。利用逐差法能充分利用了測量數(shù)據(jù)，具有對數(shù)據(jù)取平均的效果。實驗中，若只調出1級衍射譜線，則不能利用逐差法，所造成的誤差也比較大，所以調整找到3級的衍射譜線很重要。主要需要以下方法：調節(jié)頻率調節(jié)旋鈕，使電振蕩頻率與壓電換能器固有頻率共振,此時衍射光譜級次會顯著增多而且明亮。本次實驗共振頻率大概在UMHz左右。為使平行光束垂直于超聲束傳播方向，可微調載物臺，使觀察到的衍射光譜左右對稱，級次譜線亮度一致。實驗中可以微微動一下玻璃槽上蓋，主要是使換能器表面與對應面的玻璃槽壁平行，有時會使效果更好。在超聲光柵測聲速實驗中，當找到譜線后，有時發(fā)現(xiàn)兩側光譜的譜線級次不一樣，可微調載物臺，使觀察到的衍射光譜左右對稱,級次譜線亮度一致。如果光柵放置時沒有使光柵平面與入射光方向垂直，光線以入射角9斜入射到光柵上，則光柵方程為d(sin0+sin<l>)=kX(k=0,土1,土2,???),在計算時如果忘記考慮8,會使結果出現(xiàn)偏差。為了消除上述誤差，就要調整分光儀使光柵平面與入射光垂直：開亮望遠鏡上的小燈，轉動載物臺，從望遠鏡中觀察光柵平面反射回來的綠色十字像，調節(jié)載物臺的水平調節(jié)螺釘(B2或B3),使十字像與分劃板上的十字線重合;任意頻率的超聲波在此實驗中都可以形成駐波,，而在于壓電換能器達到共振是衍射條紋才會明顯增多而且明亮，這是因為，如果頻率與共振頻率相差較大時,雖然已經(jīng)形成光柵,但是還可能不夠明顯,對光的衍射較微弱，現(xiàn)象不明顯，所以只有在達到共振時才有明顯的衍射條紋。實驗結論(1)本次實驗計算的超聲波在酒精中傳播速率v=(1157.8土16.