超声光栅实验报告

超声光栅实验报告一、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：yi = Amcos2n (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，IS为超声波波长。“若在垂直 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 = Amcos2n (_)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 = yx+y2 = 2AmCOs2ncos2n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 = kI式中，k为衍射级次，9k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：tan®当很小时，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，则超声波波长为超声波在液体中传播速度为v = Av =v =式中，V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 声池两侧表面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、数据处理蓝光绿光黄光3.计算超声波在酒精中速度1.数据记录条纹位置度数（单位：mm）级 、次 光色-3-2-10123'蓝1.8782.4803.1053.6804.2704.8365.536绿1.4052.1672.9453.6804.4595.2055.962黄1.2822.0702.8803.6804.5355.3266.143换能器共振频率：v = 9.579MHz2.逐差法求条纹间距= 0.598（mm）= 0.759（mm）= 0.814（mm）= 1172.8= 1157.8= 1142.7利用蓝光计算： v =v1=（m/s）利用绿光计算： v =v2=（m/s） 利用黄光计算： v =v3=则超声波在酒精中声速：:=九=0.02MHz级次差平均 值蓝0.5980.5890.6080.5980.7640.7600.7770.759黄0.8130.8140.8160.814=58625xmm2)= 1157.8（m/s）4.声速 v 不确定度 1）频率不确定度2）不确定度相邻条纹间距（单位： mm）s2X()AU(绿光U（s2X()仪=0.0196mm=54347xmm2黄光U（s2X()A仪=0.0189mm=11xmm2= A仪= 0.00478mm3）声速 v 的不确定度 Uvv= 38.5=1172.8 X= =16.2v = (1157.8 ± 16.2)m/s)V2= 1157.8Xm/s)V2=28.9V3= 1147.7Xm/s)V3-=7.2m/s) 5.则超声波在酒精中传播速率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，若只调出 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,主要是使换能器表面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e斜入射到光栅上，则光栅方程为d（sine +sin甲）=kA （k=0，±1，±2，），在计算时如果忘记考虑e，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，而在于压电换能器达到共振是衍射条纹 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，所以只有在达到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 = (1157.8 ± 16.2) m/s,与 20°C时超声波在乙醇中传播速率1180m/s相对误差d =X100% = 1.88%.(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)