声先效应:一、利用超声先栅测定液体中的声速(共5页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上实验八 超声光栅测液体中的声速【预习重点】1声光效应的原理,利用声光效应测定液体中的声速的方法。2测微目镜的使用方法。 【实验目的】1 了解声光效应的原理;2 掌握利用声光效应测定液体中声速的方法。【学史背景】1922年布里渊(LBrillouin)曾预言,当高频声波在液体在传播时,如果有可见光通过该液体,可见光将产生衍射效应。这一预言在10年后被验证,这一现象被称作声光效应。1935年,拉曼(Raman)和奈斯(Nath)对这一效应进行研究发现,在一定条件下,声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅,所以也称为液体中的超声光栅。【实验原理】压电陶瓷片(PZT)在高频信
2、号源(频率约10MHz)所产生的的交变电场的作用下,发生周期性的压缩和伸长振动,其在液体中的传播就形成超声波,当一束平面超声波在液体中传播时,其声压使液体分子作周期性变化,液体的局部就会产生周期性的膨胀与压缩,这使得液体的密度在波传播方向上形成周期性分布,促使液体的折射率也做同样分布,形成了所谓疏密波,这种疏密波所形成的密度分布层次结构,就是超声场的图象,此时若有平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时,平行光会被衍射。以上超声场在液体中形成的密度分布层次结构是以行波运动的,为了使实验条件易实现,衍射现象易于稳定观察,实验中是在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察,由于驻波振幅可以达到行波振
3、幅的两倍,这样就加剧了液体疏密变化的程度。驻波形成以后,某一时刻t,驻波某一节点两边的质点涌向该节点,使该节点附近成为质点密集区,在半个周期以后,t+T/2,这个节点两边的质点又向左右扩散,使该波节附近成为质点稀疏区,而相邻的两波节附近成为质点密集区。图1 为在t和t+T/2(T为超声振动周期)两时刻振幅y、液体疏密分布和折射率n的变化分析。由图1可见,超声光栅的性质是,在某一时刻t,相邻两个密集区域的距离为,为液体中传播的行波的波长,而在半个周期以后,t+T/2。所有这样区域的位置整个漂移了一个距离/2,而在其它时刻,波的现象则完全消失,液体的密度处于均匀状态。超声场形成的层次结构消失,在视
4、觉上是观察不到的,当光图1线通过超声场时,观察驻波场的结果是,波节为暗条纹(不透光),波腹为亮条纹(透光)。明暗条纹的间距为声波波长的一半,即为/2。由此我们对由超声场的层次结构所形成的超声光栅性质有了了解。当平行光通过超声光栅时,光线衍射的主极大位置由光栅方程决定。 (k=0,1,2,) (1)光路图如图2图2实际上由于角很小,可以认为: (2)其中为衍射零级光谱线至第k级光谱线的距离,f为L2透镜的焦距,所以超声波的波长 (3)超声波在液体中的传播速度: (4)式中为信号源的振动频率。 【实验仪器】超声光栅实验仪(数字显示高频功率信号源,内装压电陶瓷片PZT的液槽)、分光计、汞灯、测微目镜
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