大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)超聲光柵測(cè)聲速

超聲光柵測(cè)聲速1.（一）教師示范操作結(jié)束前不可移動(dòng)、擺弄儀器?。ǘ┎豢捎|摸光學(xué)元件的光學(xué)面！（三）光源需預(yù)熱五分鐘后方可使用，不可反復(fù)開關(guān)?。ㄋ模?shí)驗(yàn)使用220V市電電源，注意用電安全！實(shí)驗(yàn)前注意事項(xiàng)2.1、實(shí)驗(yàn)背景2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、實(shí)驗(yàn)原理3、實(shí)驗(yàn)儀器5、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟注意事項(xiàng)數(shù)據(jù)處理要求思考題目錄3.

1922年布里淵（L·Brillouin）曾預(yù)言，當(dāng)高頻聲波在液體在傳播時(shí)，如果有可見光通過(guò)該液體，可見光將產(chǎn)生衍射效應(yīng)。這一預(yù)言在10年后被驗(yàn)證，這一現(xiàn)象被稱作聲光效應(yīng)。1935年，拉曼（Raman）和奈斯（Nath）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)分布類似于普通的光柵，所以也稱為液體中的超聲光柵。實(shí)驗(yàn)背景4.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解超聲致光衍射的原理;2.掌握利用聲光效應(yīng)測(cè)定液體中聲速的方法；5.橫波也稱“凹凸波”，是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直。在橫波中突起的部分為波峰，凹下部分叫波谷。波長(zhǎng)通常是指相鄰兩個(gè)波峰或波谷之間的距離。電磁波、光波都是橫波?？v波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向平行的波。在縱波中波長(zhǎng)是指相鄰兩個(gè)密部或疏部之間的距離。如敲鑼時(shí)，鑼的振動(dòng)方向與波的傳播方向就是平行的。常見的縱波有聲波（Soundwave）和地震引起的P波（P-waves，含義是Primarywave，因?yàn)镻波是地震波中傳播最快的一種，地震時(shí)最先到達(dá)震中）。1、橫波與縱波6.7.2、超聲波與壓電陶瓷換能器

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)，8.（知識(shí)補(bǔ)充）

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)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象稱為壓電效應(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。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)度成正比，當(dāng)電場(chǎng)反向時(shí)，形變也改變方向。9.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?！罴す饫走_(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。10.

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。

2、超聲光柵形成原理(1)超聲波駐波11.

式中y代表各質(zhì)點(diǎn)沿x方向偏離平衡位置的位移，Am表示質(zhì)點(diǎn)的最大位移量，Ts為超聲波的周期，

s為超聲波的波長(zhǎng)。若超聲行波以平面波的形式沿X軸正方向傳播時(shí)，波動(dòng)方程可描述為

12.

如果超聲波被液槽的一個(gè)垂直于x軸的平面反射，又會(huì)反向傳播，當(dāng)反射平面距波源為波長(zhǎng)四分之一的奇數(shù)倍時(shí)，入射波與反射波分別為兩者疊加得13.14.(2)超聲光柵

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λ的單色平行光沿著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)于一超聲光柵，其光柵常數(shù)為λ。實(shí)際上，超聲光柵是移動(dòng)的,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，故對(duì)光而言此光柵可認(rèn)為是靜止的.15.

從圖1-圖3中我們可以看到駐波在T/2個(gè)周期內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)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)為波節(jié)，且波節(jié)與波節(jié)處相距λ/2，即條紋間距對(duì)應(yīng)于超聲波的半波長(zhǎng)λ/2。反射板反射板16.利用光屏的十字標(biāo)記，記錄條紋通過(guò)的數(shù)目，如果液體移動(dòng)距離為Y（利用數(shù)顯測(cè)微裝置讀?。?，移動(dòng)標(biāo)記的條紋數(shù)為n，則待測(cè)液體的聲波波長(zhǎng)λ=2Y/n。則聲速v即為2Yf/n17.實(shí)驗(yàn)儀器CGS型超聲光柵實(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PZT的液槽）、鈉光燈、狹縫、待測(cè)液體（自來(lái)水）18.實(shí)驗(yàn)步驟與內(nèi)容一、光路調(diào)節(jié)1、共軸調(diào)節(jié)：將光源、液槽、放大鏡調(diào)至共軸（主光軸參考導(dǎo)軌軌道）2、視場(chǎng)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)光源、放大鏡高度和角度，使光源發(fā)出的光射可以通過(guò)液槽進(jìn)入放大鏡。從望遠(yuǎn)鏡鏡筒可以看到視場(chǎng)。19.二、條紋調(diào)節(jié)1、打開信號(hào)發(fā)生器，2、將反射板調(diào)至與液槽壓電陶瓷一面平行，微調(diào)前后位置形成駐波3、調(diào)節(jié)狹縫寬度，視場(chǎng)中將出現(xiàn)明暗相間的條紋三、條紋計(jì)數(shù)1、將計(jì)數(shù)器清零。2、同方向旋轉(zhuǎn)，使叉絲中央通過(guò)10個(gè)條紋，通過(guò)計(jì)數(shù)器讀取通過(guò)的距離20.數(shù)據(jù)記錄Y1Y2Y3Y4計(jì)數(shù)器走過(guò)的距離。測(cè)量四次（單位mm）備注：信號(hào)源的振動(dòng)頻率ν

：1.71MHz實(shí)驗(yàn)室溫度t：℃

;21.數(shù)據(jù)處理求出4次超聲波聲速平均值并計(jì)算誤差和不確定度四次聲速的平均值（單位mm）v1v2v3v4————22.這4次超聲波波速平均值23.注意事項(xiàng)1、先向液槽內(nèi)加水，再加超聲波信號(hào)（注意順序！）。防止發(fā)射探頭內(nèi)的壓電陶瓷片在空氣中強(qiáng)行振動(dòng)而損壞。2、建議調(diào)細(xì)明條紋寬度，記錄明條紋通過(guò)叉絲的數(shù)目（廠商建議）。調(diào)節(jié)方法：將狹縫寬度調(diào)窄3、每組測(cè)量時(shí)，只能沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)讀數(shù)鼓輪，避免空程誤差4、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。24.實(shí)驗(yàn)完成后無(wú)需將液槽內(nèi)水倒掉，原因：1、為保證電學(xué)實(shí)驗(yàn)安全，盡量減少液體在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上方的搬運(yùn)移動(dòng)；2、使液體更接近溫度計(jì)測(cè)量的室溫溫度，減少誤差；

如待測(cè)液體不是自來(lái)水，實(shí)驗(yàn)完畢后應(yīng)