利用光栅测量液体中的声速.docx

超声光栅测液体声速 【实验目的】 1.理解超声光栅形成的原因，了解声光作用的原理。 2.调整光路，用超声光栅声速仪测量声波在液体中的传播速度。 【实验原理】 一、超声光栅及其成像特点 任何能对入射光相位、振幅给与周期性空间调制的装置，都可称为光栅。载有超声波的液体（本实验是液体槽）具有上述作用，所以称为超声光栅，其光栅常数等于超声波波长。 当压电晶体被信号发生器激励产生超声波时，适当调节压电晶体与反射板之间的平行度，使槽内形成驻波。这时如果用具有一定扩散角度的线光源垂直于声波方向照射透明液槽，在液槽的另一侧成像装置上可以观察到光线被超声驻波调制而产生的明暗相间的条纹，这是超声波驻波的自身放大像，即超声光栅的自身影像，其条纹间距对应于超声波的半波长。 二、测量基本原理 当我们用点光源（球面波）照射超声光栅时，类似投影幻灯形式可看到被放大的超声光栅自身像，即超声驻波像。由于超声波频率可由频率计测得，其波长可由驻波像的间隔测得，根据关系式 v=L/Y（1） 可得到超声波在该介质中的传播速度值，这种利用超声光栅测声速的方法，通常称为振幅栅法。 测定波长的方法及特点 1. 振幅栅法（超声光栅驻波像法） 在声波传播方向上利用测微装置测量液槽的移动，此时显示器上驻波的放大像也随着移动，利用显示屏上的十字标记，记录移过标记的条纹数。如果液槽移动距离为L（利用数显卡尺测定），已过标记的条纹数为N,则待测液体的声波波长为 （2） 由公式（1）和（2）得到最后测量公式 （3） 2.干涉法、相位法（见空气声速测定实验介绍） 【实验装置】 1.载有超声波的透明液槽，透明液槽内装有产生超声振动的压电晶体。 2.稳频超声波信号源：1.710MHz。 3.微小平行移动距离的测微装置。 4.前置狭缝及光源。 5.观察超声驻波像的成像装置：CCD摄像镜头和显示器等。 A：超声波信号源 F：图像显示器 E：CCD摄像镜头 G：微小平移测微装置 H：压电传感器 I：透明液体 J：前置狭缝及光源 图2 实验装置图 【实验步骤】 1.把液槽放在测微测量装置上，装满待测透明液体，使超声波传播方向与测微装置移动方向一致。 2.调整光路。把光源、液槽、CCD摄像头依次调整等高、同轴，并使光束的照射方向和液槽内声波传播方向严格垂直。 3.接通光源，连接超声波信号发生器的输出端与超声波液槽信号输入插头，接通电源使超声波信号发生器开始工作（注意：超声波信号发生器不能空载工作）。 4.认真调节狭缝的方向和光源的高度。要求狭缝的方向与声波波阵面严格一致，使显示器屏幕上能够观察到清晰的条纹。调整CCD摄像头的位置，使明暗相间的条纹充满显示屏的整个视场。 5.测量时，测量者先决定液槽的移动方向，然后按测量方向移动测微装置，使光屏上的十字标记与某条纹正好对齐，将测微仪数显值调节为零，然后一边按原来的方向继续移动液槽，一边记下移过十字标记的条纹数计入表1。 【数据记录及处理】 一、整理原始数 表1 待测液体： 温度: 测量条纹数=40条纹数Li 第条纹读数值（） 条纹数 Li+40 第条纹读数值（） 测量距离 Li+40-Li波长（） 1412423434445456467478489491050 二、求波长测量结果 1.测量最佳值： （mm） 2.波长的A类不确定度： 3.波长的B类不确定度： 其中 4.波长的合成不确定度： 5.测量结果表达式： 三、液体声速测量结果计算 1.声速测量最佳值： （频率信号发生器的频率值） 2.声速测量不确定度： ，（其中，） 3. 液体声速测量结果： 超声光栅测声速实验报告学习资料 2008-03-16 09:16:46 阅读1051 评论2 字号：大中小订阅 实验名称：超声光栅测声速实验实验目的：了解超声光兰产生的原理。2了解生波如何对光信号进行调解3通过对液体（非电解质）中声速的测定 ，加深对其概念理解。实验仪器：WSG-型超声光栏声速仪实验原理光波在传播时被超声波衍射的现象，称为超生致光效应亦称声光效应）。超声波作为一种纵波在液体中传播时，超声波的声压使液体分子产生周期性变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化，形成疏密波。此时如有平行单色光沿垂直超声波方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射，这一作用，类似于光栅，所以叫超声光栅。超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处；集区。 在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作用使液体折射率增加，在距离等于波长的两点，液体的密度相同，折射率也相等，单色平行光沿着垂直于超声波传播方向上通过上述液体时，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一个衍射光栅。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，） 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。实验步骤： 1用自准法调分光计的望远镜对平行光（即无限远）聚焦，成像在分划板上。（1）先目测，调节载物台，望远镜筒，平行光管都初步达到共轴、水平状态，为进一步细调打下基础。（2）将平面镜放在载物台上，并与望远镜光轴目测垂直，点亮分光计的小灯，转动目镜，先看清晰分划板上的叉丝，再伸缩目镜筒，使十字窗的像十分清晰，并且用视差法检查（上下左右移动眼睛，像与十字叉丝无相对位移），使十字窗及其反射像与分划板叉丝无视差。由自准直原理可知，望远镜已调焦至无限远。采用低压汞灯做光源。将蒸馏水（试验中用自来水代替）注入液体槽，最高液面以槽侧面刻线为准。4,将此液体槽(可称其为超声池)放置于分光计的载物台上,放置时,使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴; 5,两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板上的接线柱,另一端接入超声光栅仪电源箱的高频输出端,然后将液体槽盖板盖在液体槽上; 6,开启超声信号源电源,从阿贝目镜观察衍射条纹,细微调节旋钮(2),使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; 7,如此前分光计已调整到位,左右转动超声池(可转动分光计载物台或游标盘,细微转动时,可通过调节分光计图中(15)螺钉实现),能使射于超声池的平行光束完全垂直于超声束,同时观察视场内的衍射光谱左右级次亮度及对称性,直到从目镜中观察到稳定而清晰的左右各3-4级的衍射条纹为止; 8,按上述步骤仔细调节,可观察到左右各3-4级以上的衍射光谱; 9,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(例如:从-3, ,0, ,+3),再用逐差法求出条纹间距的平均值. 10,声速计算公式为: kclfV=/ 式中:-光波波长;-共振时频率计的读数;f-望远镜物镜焦距(仪器数据);lk-同一种颜色的衍射条纹间距. 数据记录与处理表一，微测目镜中衍射条纹位置读数（mm）色级3-2-10123黄0285091016802382317139104710绿029110111730312538584598蓝064112421835296835604120-思考题1.用逐差法处理数据的优势是生么？答：用逐差法可以提高实验数据的利用率，减小了随机误差的影响，另外也可减小中仪器误差分量，因此是一种常用的数据处理方法。 有时为了适当加大逐差结果为个周期，但并不需要逐差出个数据，可以连续测量 n个数据后，空出若干数据不记录，到时，再连续记录 n个数据，对所得两组数据进行逐差可得。2. 能否用拿光做光源？答：不能。这于光源的显色性有关。 一般定义日光显色性为100，而越接近100的则越接近日光，但目