大学物理实验 超声光栅测声速 深圳大学.ppt

超声光栅测声速,大学物理实验中心2016.10,（一）教师示范操作结束前不可移动、摆弄仪器！,（二）不可触摸光学元件的光学面！,（三）光源需预热五分钟后方可使用，不可反复开关！,（四）实验使用220V市电电源，注意用电安全！,实验前注意事项,1、实验背景,2、实验目的,4、实验原理,3、实验仪器,5、实验内容与步骤,注意事项,数据处理要求,思考题,目录,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。,实验背景,实验目的,1.了解超声致光衍射的原理;2.掌握利用声光效应测定液体中声速的方法；,横波也称“凹凸波”，是质点的振动方向与波的传播方向垂直。在横波中突起的部分为波峰，凹下部分叫波谷。波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距离。电磁波、光波都是横波。纵波是质点的振动方向与传播方向平行的波。在纵波中波长是指相邻两个密部或疏部之间的距离。如敲锣时，锣的振动方向与波的传播方向就是平行的。常见的纵波有声波（Soundwave）和地震引起的P波（P-waves，含义是Primarywave，因为P波是地震波中传播最快的一种，地震时最先到达震中）。,1、横波与纵波,2、超声波与压电陶瓷换能器,利用压电陶瓷逆效应，在高频信号源（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（20000Hz)，,（知识补充）,压电效应：对某些电介质晶体施加机械应力时，晶体因内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，导致晶体两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比。这种没有电场作用，由机械应力的作用而使电介质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。当机械应力由压应力变成拉应力时，电荷符号也改变。电致伸缩效应：与压电效应相反，将具有压电效应的电介质晶体置于电场中，电场的作用引起电介质内部正负电荷中心产生相对位移，而这一位移又导致介质晶体发生形变，晶体的这种由外加电场产生形变的现象称为逆压电效应也叫电致伸缩效应。晶体形变的大小与外加电场强度成正比，当电场反向时，形变也改变方向。,声光效应的应用,用声光效应制成声光器件，如声光调制器、声光偏转器，在激光技术、光信号处理和集成光通信技术等方面有着重要的应用。,激光雷达扫描、电视大屏幕显示器的扫描、高清晰图像传真、光信息储存。,超声波纵波在盛有液体的玻璃槽中传播时，液体被周期性地压缩与膨胀，其密度会发生周期性的变化，形成疏密波。稀疏作用会使液体密度减小、折射率减小。压缩作用会使液体密度增大、折射率增大，因此液体密度的周期变化，导致其折射率也呈周期变化。,2、超声光栅形成原理,(1)超声波驻波,式中y代表各质点沿x方向偏离平衡位置的位移，Am表示质点的最大位移量，Ts为超声波的周期，s为超声波的波长。,若超声行波以平面波的形式沿X轴正方向传播时，波动方程可描述为,如果超声波被液槽的一个垂直于x轴的平面反射，又会反向传播，当反射平面距波源为波长四分之一的奇数倍时，入射波与反射波分别为,两者叠加得,(2)超声光栅,在距离等于波长的两点，液体的密度相同，折射率也相同，若波长为的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，相当于一超声光栅，其光栅常数为。实际上，超声光栅是移动的,由超声波的频率决定，但光的频率远远大于超声波的频率，故对光而言此光栅可认为是静止的.,从图1-图3中我们可以看到驻波在T/2个周期内各质点处密度变化情况，从图中看出奇数点不发生振动，这样的点为波节，且波节与波节处相距/2，即条纹间距对应于超声波的半波长/2。,反射板,反射板,利用光屏的十字标记，记录条纹通过的数目，如果液体移动距离为Y（利用数显测微装置读取），移动标记的条纹数为n，则待测液体的声波波长=2Y/n。则声速v即为2Yf/n,实验仪器,CGS型超声光栅实验仪（数字显示高频功率信号源，内装压电陶瓷片PZT的液槽）、钠光灯、狭缝、待测液体（自来水）,实验步骤与内容,一、光路调节1、共轴调节：将光源、液槽、放大镜调至共轴（主光轴参考导轨轨道）2、视场调节：调节光源、放大镜高度和角度，使光源发出的光射可以通过液槽进入放大镜。从望远镜镜筒可以看到视场。,二、条纹调节1、打开信号发生器，2、将反射板调至与液槽压电陶瓷一面平行，微调前后位置形成驻波3、调节狭缝宽度，视场中将出现明暗相间的条纹,三、条纹计数1、将计数器清零。2、同方向旋转，使叉丝中央通过10个条纹，通过计数器读取通过的距离,数据记录,计数器走过的距离。测量四次（单位mm）,备注：信号源的振动频率：1.71MHz实验室温度t：;,数据处理,求出4次超声波声速平均值并计算误差和不确定度四次声速的平均值（单位mm）,这4次超声波波速平均值,注意事项,1、先向液槽内加水，再加超声波信号（注意顺序！）。防止发射探头内的压电陶瓷片在空气中强行振动而损坏。2、建议调细明条纹宽度，记录明条纹通过叉丝的数目（厂商建议）。调节方法：将狭缝宽度调窄3、每组测量时，只能沿一个方向旋转读数鼓轮，避免空程误差4、提取液槽应拿两端面，不要触摸两侧表面通光部位，以免污染，如已有污染，可用酒精清洗干净，或用镜头纸擦净。,实验完成后无需将液槽内水倒掉，原因：1、为保证电学实验安全，尽量减少液体在实验台上方的搬运移动；2、使液体更接近温度计测量的室温温度，减少误差；如待测液体不是自来水，实验完毕后应将液体及时倒掉并擦洗干