超声光栅实验报告.pdf

超声光栅超声光栅实验报告实验报告一、实验目的与实验仪器一、实验目的与实验仪器1.1.实验目的实验目的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。2.2.实验仪器实验仪器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：Asink=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：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：tank=当k 很小时，有sink=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=超声波在液体中传播速度为sin=v=A=三、实验步骤三、实验步骤=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。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、数据处理四、数据处理1.1.数据记录数据记录条纹位置度数单位：条纹位置度数单位：mmmm级次光色-3-20-101232蓝绿黄换能器共振频率：=2.2.逐差法求条纹间距逐差法求条纹间距蓝光：1=绿光：2=黄光：3=(4.2701.878)(4.8362.480)(5.5363.105)43(4.4591.405)(5.2052.167)(5.9622.945)4343112233=mm=mm=mm=m/s=1157.8m/s=m/s=1157.8m/s(4.5351.282)(5.3262.070)(6.1432.880)3.3.计算超声波在酒精中速度计算超声波在酒精中速度利用蓝光计算：v1=利用绿光计算：v2=利用黄光计算：v3=435.81091681039.5791060.598103546.11091681039.5791060.759103578.01091681039.5791060.8141033则超声波在酒精中声速：v=v1v2v3=1172.81157.81142.734.4.声速声速 v v 不确定度不确定度Uv1频率不确定度：=仪=2不确定度相邻条纹间距单位：相邻条纹间距单位：mmmm级次差光色蓝绿黄蓝光：sX(1)=U(1)=(2213422224314平均值123=1()=5.8625105mm222=2.52 5.8625 1050.0042mm)仪23=1()绿光：sX(2)=22=105mm22U(2)=()22仪=2.52 5.4347 1050.0042mm22黄光：sX(3)=U(3)=(23=1()=1.1106mm22)2仪=2.52 1.1 1060.0042mm3声速 v 的不确定度 Uv2Uv1=v1(v1)2+(11lnUlnUv122)1=v1(1122)2+()211=(lnU20.01962+()2 0.022=m/s0.5989.579lnUv222)112Uv2=v2(v2)2+(22=v2(1222)2+()221=(20.01892+(2 0.022=m/s)0.7599.579lnUv322)112Uv3=v3(v3)2+(33lnU=v3(1322)2+()2311=(20.004782+(2 0.022=m/s)0.8149.57911222Uv=3 v1+v2+v3=3 38.52+28.92+7.22=m/s5.5.则超声波在酒精中传播速率则超声波在酒精中传播速率v=m/s五、分析讨论五、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速率 1180m/s相对误差=|1157.81180|1180100%=%.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