2022年超声光栅实验报告 .pdf

一、实验目的与实验仪器1.实验目的1了解超声光栅的原理和使用；2利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度。2.实验仪器GSG1 型超声光栅声速仪、超声发生器工作频率913MHz 、换能器、液槽、JJY-1 型分光仪 物镜焦距f = 168mm 、测微目镜 测微范围8mm 、放大镜、 待测液及光源 钠灯或汞灯等。二、实验原理介质受到超声波周期性的扰动，其折射率也将发生变化，此时光通过这种介质，就像透过投射光栅一样， 这种现象称为超声致光衍射，把这种载有超声波的透明介质称为超声光栅。利用超声光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。设超声波在液体中以平面波形式沿x 方向，在x 方向液体中波的形式如下：y1 = Amcos2 (?-?)式中， y1为偏离平衡位置的位移量；Am为振幅， Ts为超声波周期，s为超声波波长。假设在垂直x 方向有一反射平面，则超声波被平面反射后沿x 反方向传播，有如下方程：y2 = Amcos2 (?+?)当正反两方向的平面波叠加形成驻波时，平衡位置的偏移量为y = y1+y2 = 2Amcos2 ?cos2 ?超声波形成驻波时， 压缩作用使节点处折射率增大，稀疏作用使远离节点处折射率变小，这样液体折射率就出现周期性变化，平行光沿着与超声波传播方向呈一定夹角的方向通过时会被衍射。由光栅方程可知：Asin k = k 式中， k 为衍射级次， k为 k 级衍射角。超声光栅光路图如下所示：超声光栅实验报告精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 5 页在右侧望远镜中可观察到衍射条纹。从上图中几何关系可知：tan k = ?当 k 很小时，有sin k = ?式中， lk 为零级衍射到k 级衍射之间的距离，f 为透镜焦距，则超声波波长为A = ?sin?= ?超声波在液体中传播速度为v = A = ? = ? ?式中，是换能器共振频率，?为同一波长光相邻衍射级别衍射条纹间距。三、实验步骤1分光计的调整：用自准直法使望远镜聚焦于无穷远，望远镜的光轴与分光计的转轴中心垂直，平行光管与望远镜同轴并出射平行光，调节望远镜使观察到的狭缝清晰；2将待测液体注入超声池，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准；3将超声池放置于分光计的载物台上，使超声池两侧外表基本垂直于望远镜和平行光管的光轴；4 两支高频连接线的一端插入超声池盖板接线柱，另一端接入超声信号源的高频输出端，然后将液体槽盖板盖在液体槽上；5开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍射条纹，细微调节电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片固有频率共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮，仔细调节，可观察到左右各34 级以上的衍射光谱；6取下阿贝目镜，换上测微目镜，调焦目镜，使清晰观察到的衍射条纹。利用测微目镜逐级测量其位置读数并记录。四、数据处理1.数据记录条纹位置度数单位：mm 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 5 页级次光色-3-2-10123蓝绿2黄0换能器共振频率：=2.逐差法求条纹间距蓝光：?1= (4.270-1.878)+ (4.836-2.480)+ (5.536-3.105)43=mm绿光：?2= (4.459-1.405) + (5.205-2.167) +( 5.962-2.945)43=mm黄光：?3= (4.535-1.282)+ (5.326-2.070)+ (6.143-2.880)43=mm3.计算超声波在酒精中速度利用蓝光计算：v1 =?1? ?1= 435.8 10-9 168 10-3 9.579 1060.598 10-3=m/s利用绿光计算：v2 =?2? ?2= 546.1 10-9 168 10-3 9.579 1060.759 10-3= 1157.8m/s利用黄光计算：v3 =?3? ?3= 578.0 10-9 168 10-3 9.579 1060.814 10-3=m/s则超声波在酒精中声速：v = v1+v2+v33=1172.8+1157.8+1142.73= 1157.8m/s4.声速 v 不确定度 Uv1频率不确定度：?= 仪=2?不确定度相邻条纹间距单位：mm 级次差光色?1-?-34?2- ?-24?3-?-14平均值?1蓝绿黄蓝光：s2 X(?1)=(?-?)23?=12= 5.8625 10-5mm2U(?1)= (? ?)2?2+ 仪2= 2.525.8625 10-5+ 0.0042mm绿光：s2 X(?2)=(?-?)23?=12= 10-5mm2U(?2)= (? ?)2?2+ 仪2= 2.525.4347 10-5+ 0.0042mm黄光：s2 X(?3)=(?-?)23?=12= 1.1 10-6mm2U(?3)= (? ?)2?2+ 仪2= 2.521.1 10-6+ 0.0042mm3声速 v 的不确定度Uv精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 5 页Uv1= v1 (?ln Uv1? ?1)2? ?12+ (?ln Uv1?)2?2= v1 (1 ?1)2? ?12+ (1?)2?2= (10.598)2 0.01962+ (19.579)20.022= m/sUv2= v2 (?ln Uv2? ?2)2? ?22+ (?ln Uv2?)2?2= v2 (1 ?2)2? ?22+ (1?)2?2=(10.759)2 0.01892+ (19.579)20.022= m/sUv3= v3 (?ln Uv3? ?3)2? ?32+ (?ln Uv3?)2?2= v3 (1 ?3)2? ?32+ (1?)2?2=(10.814)2 0.004782+ (19.579)20.022= m/sUv= 13 ?v12+ ?v22+ ?v32= 13 38.52+ 28.92+ 7.22=m/s5.则超声波在酒精中传播速率v = m/s五、分析讨论提示：分析讨论不少于400 字1本次实验数据使用逐差法减小了实验误差。逐差法是针对自变量等量变化，因变量也做等量变化时， 所测得有序数据等间隔相减后取其逐差平均值得到的结果。利用逐差法能充分利用了测量数据，具有对数据取平均的效果。2实验中，假设只调出1 级衍射谱线，则不能利用逐差法，所造成的误差也比较大，所以调整找到3 级的衍射谱线很重要。主要需要以下方法：调节频率调节旋钮，使电振荡频率与压电换能器固有频率共振，此时衍射光谱级次会显著增多而且明亮。本次实验共振频率大概在11MHz 左右。为使平行光束垂直于超声束传播方向，可微调载物台， 使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。实验中可以微微动一下玻璃槽上盖，主要是使换能器外表与对应面的玻璃槽壁平行，有时会使效果更好。3在超声光栅测声速实验中，当找到谱线后，有时发现两侧光谱的谱线级次不一样，可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。4 如果光栅放置时没有使光栅平面与入射光方向垂直， 光线以入射角斜入射到光栅上，则光栅方程为dsin+sin = k k=0， 1， 2， ，在计算时如果忘记考虑，会使结果出现偏差。为了消除上述误差，就要调整分光仪使光栅平面与入射光垂直：开亮望远镜上的小灯， 转动载物台， 从望远镜中观察光栅平面反射回来的绿色十字像，调节载物台的水平调节螺钉B2 或 B3 ，使十字像与分划板上的十字线重合；5任意频率的超声波在此实验中都可以形成驻波，而在于压电换能器到达共振是衍射条纹才会明显增多而且明亮，这是因为，如果频率与共振频率相差较大时，虽然已经形成光栅，但是还可能不够明显，对光的衍射较微弱，现象不明显， 所以只有在到达共振时才有明显的衍射条纹。六、实验结论1本次实验计算的超声波在酒精中传播速率v = m/s，与 20时超声波在乙醇中传播精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 5 页速率 1180m/s 相对误差=|1157.8-1180|1180 100% =%.2光栅是重要的分光仪器，能够将包含不同颜色的复色光分散开来，并且通过每种单色光的衍射的光栅方程计算出单色光的入射光波长；3光栅衍射的实验证明了光具有波动性。七、原始数据要求与提示：此处将原始数据拍成照片贴图即可精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 5 页