超声光栅实验报告.doc

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：y1 = Amcos2(tTs-xs)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。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 = Amcos2(tTs+xs)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 = 2Amcos2xscos2tTs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 = lkf当k很小时，有sink = lkf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 = ksink = kflk超声波在液体中传播速度为v = A = kflk = flk式中，是换能器共振频率，lk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：= 9.579MHz2.逐差法求条纹间距蓝光：lk1= 4.270-1.878+4.836-2.480+5.536-3.10543 = 0.598（mm）绿光：lk2= 4.459-1.405+5.205-2.167+5.962-2.94543 = 0.759（mm）黄光：lk3= 4.535-1.282+5.326-2.070+6.143-2.88043 = 0.814（mm）3.计算超声波在酒精中速度利用蓝光计算：v1 = 1flk1 = 435.810-916810-39.5791060.59810-3 = 1172.8（m/s）利用绿光计算：v2 = 2flk2 = 546.110-916810-39.5791060.75910-3 = 1157.8（m/s）利用黄光计算：v3 = 3flk3 = 578.010-916810-39.5791060.81410-3 = 1142.7（m/s）则超声波在酒精中声速：v = v1+v2+v33 = 1172.8+1157.8+1142.73 = 1157.8（m/s）4.声速v不确定度Uv1）频率不确定度：U = 仪 = 0.02MHz2）lk不确定度相邻条纹间距（单位：mm）级次差光色l1-l-34l2-l-24l3-l-14平均值lk1蓝0.5980.5890.6080.598绿0.7640.7600.7770.759黄0.8130.8140.8160.814蓝光：s(lk1) = i=13(Xi-X)22 = 5.862510-5mm2U(lk1) =(tn)2sX2+仪2 = 2.525.862510-5+0.0042 = 0.0196mm绿光：s(lk2) = i=13(Xi-X)22 =5.434710-5mm2U(lk2) =(tn)2sX2+仪2 = 2.525.434710-5+0.0042 = 0.0189mm黄光：s(lk3) = i=13(Xi-X)22 = 1.110-6mm2U(lk3) =(tn)2sX2+仪2 = 2.521.110-6+0.0042 = 0.00478mm3）声速v的不确定度UvUv1 = v1(lnUv1lk1)2Ulk12+(lnUv1)2U2 = v1(1lk1)2Ulk12+(1)2U2= 1172.8(10.598)2 0.01962+(19.579)20.022 = 38.5（m/s）Uv2 = v2(lnUv2lk2)2Ulk22+(lnUv2)2U2 = v2(1lk2)2Ulk22+(1)2U2= 1157.8(10.759)2 0.01892+(19.579)20.022 = 28.9（m/s）Uv3 = v3(lnUv3lk3)2Ulk32+(lnUv3)2U2 = v3(1lk3)2Ulk32+(1)2U2= 1147.7(10.814)2 0.004782+(19.579)20.022 = 7.2（m/s）Uv = 13Uv12+Uv22+Uv32 = 1338.52+28.92+7.22 = 16.2（m/s）5.则超声波在酒精中传播速率 v = （1157.8 16.2）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 ，光线以入射角斜入射到光栅上，则光栅方程为d（sin+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 1