实验27_超声光栅衍射_实验报告.pdf
实实验验报报告告实验名称：超声光栅测液体中的声速大大 学学 物物 理理 实实 验验 报报 告告实验目的实验目的1.了解超声光栅产生的原理。2.掌握利用声光效应测定液体中声速的方法。实验仪器实验仪器WSG-1 型超声光栅声速仪(超声信号源仪 0.02MHz、超声池、高频信号连接线、JX8 型测微目镜仪 0.004mm、11MHz 左右共振频率的锆钛酸铅陶瓷片)、JJY型分光计、低压汞灯（各色光波长分别为蓝光 435.8nm、绿光 546.1nm、黄光 578.0nm）、待测液体（蒸馏水）实验测量原理实验测量原理超声波在液体中的传播速度v=fx（1），是汞灯光的波长（已给出），其中,是超声波的波长,是液体中超声波频（可在频率计上读出）f为望远镜物镜焦距（170mm）,x为同一种颜色光的衍射条纹间距。实验中只要测出x，就可以根据公式 1 将液体中的声速计算出来。实验内容与数据处理实验内容与数据处理1.表 1 是本实验的测量数据。表 1衍射条纹的位置读数(10.44MHz，实验温度 20)级单位：mm位置色x3x2x1x0 x1x2x3黄(y）绿(g)蓝(b)1.2001.9252.6483.3894.1154.8105.4701.3622.0042.7153.3894.0454.7155.4051.7212.2822.8003.3893.8994.4404.975大大 学学 物物 理理 实实 验验 报报 告告2.根据表 1 中的测量数据得表 2表 2衍射条纹的平均间距与对应的声速x/mm颜色x0 x3x1 x2x2 x1x3 x0 x(ms-1)V声(ms1)黄(y)绿(g)蓝(b)2.1892.0271.6682.1902.0411.6172.1622.0001.6402.0812.0161.5860.71850.67370.54261427.741438.651425.461430.62（1）V声的计算过程f578.010-910.4410617010-31427.74(m s)vy-30.718510 xyf546.110-910.4410617010-3vg1438.65(m s)0.673710-3xgf435.810-910.4410617010-3vb1425.46(m s)0.542610-3xbV（2）UV的计算过程vyvgvb1427.741438.651425.461430.62(m s)33Uv 仪0.02MHzUx 仪 0.004mmUx8222UU0.0040.00094(mm)xx1226622UvUx根据，U xvUy0.020.000941427.74 3.3122(m s)10.440.718522大大 学学 物物 理理 实实 验验 报报 告告Ug0.020.000941438.65 3.4097(m s)10.440.673722220.020.00094Ub1425.46 3.6777(m s)10.440.5426UV11222UyUgUb3.312223.409723.67772 2.00(m/s)93实验结论测量结果实验结论测量结果V V UV(14312)m/s分析讨论分析讨论1通过实验结果可以看出，本实验误差在合理范围之内。实验中，要减小误差，需要做到在实验过程中要避免实验仪器有震动，避免触碰高频信号连接线，避免用手触摸超声池通光面，利用测微目镜读数时一定要使鼓轮旋转方向保持一致等。2本实验测量的关键是能否观察到稳定而清晰的左右各 34 级对称分布的衍射条纹。所以，在实验操作过程中首先要认真调整分光计，其次要仔细安装超声池，做好超声信号源的定时选择，避免信号源过热导致频率不稳对实验测量造成的影响，最后要仔细缓慢调节信号源频率，左右微微转动超声池以及微调超声池的上盖。附思考题参考答案附思考题参考答案1.超声光栅与普通平面光栅有何异同？答：超声光栅：由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。平面衍射光栅：普通的光线衍射光栅。光波在介质中传播时被超声波衍射的现象称为超声致光衍射（亦称声光效应）。超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应地周期性的变化，形成疏密波。此如有平行单色光垂直于超声波传播方向通过这疏密相同的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声衍射。单色平行光沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。这种现象与大大 学学 物物 理理 实实 验验 报报 告告平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波，槽中的液体就相当于衍射光栅。2.如何解释本实验衍射的中央条纹与各级谱线的距离随超声信号源频率的高低变化而增加或减小的现象？答：由光栅方程：(ab)sin k(m/s)可知：频率越高声波长越短，光栅常数愈小，衍射角越大条纹间距增加。（同时由于材料共振以及其他频率响应的影响，衍射效率（衍射光的强度）会略有变化）。3.驻波的相邻波腹间的距离等于半波长，为什么超声光栅常量在数值上等于超声波的波长？答：超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应地作周期性的变化，形成疏密波。在一定条件下，前进波和反射波形成驻波，t时刻，任一波节两边的质点都涌向该波节，使该波节附近成为质点密集区，而相邻的两波节处为质点稀疏区；半个周期（t T 2）后，该波节附近的质点又向两边散开变为质点稀疏区，相邻两波节处变为质点密集区。因为稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大，所以随着液体密度的周期性变化，其折射率也发生周期性的变化。液体中折射率周期性变化的区域起到了和光学上平面光栅类似的作用，在距离等于超声波波长的任意两点处，液体的密度以及折射率都相等，超声波波长数值上就是平面光栅的光栅常数。103
