超声光栅实验(陈文钦指导学生必看)

1、物理物理文明文明 超声光栅实验（超声光栅实验（2606） 物理物理文明文明 物理物理文明文明 实验简介实验简介 实验目的实验目的 实验原理实验原理 仪器介绍仪器介绍 实验内容与步骤实验内容与步骤 注意事项注意事项 数据处理要求数据处理要求 思考题思考题 目目 录录 物理物理文明文明 （一）（一） 教师示范操作结束前不可移动、摆弄仪器用教师示范操作结束前不可移动、摆弄仪器用 具！具！ （二）（二） 不可触摸光学元件的光学面！不可触摸光学元件的光学面！ （三）（三） 钠灯需预热五分钟后方可使用，不可反复开关！钠灯需预热五分钟后方可使用，不可反复开关！ （四）（四） 实验使用实验使用220V市电电源

2、，注意用电安全！市电电源，注意用电安全！ 注意事项注意事项 物理物理文明文明 19221922年布里渊（年布里渊（L LBrillouinBrillouin）曾预言，当高频声）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。这一预言在光将产生衍射效应。这一预言在1010年后被验证，这一年后被验证，这一 现象被称作声光效应。现象被称作声光效应。19351935年，拉曼（年，拉曼（RamanRaman）和奈）和奈 斯（斯（NathNath）对这一效应进行研究发现，在一定条件下，）对这一效应进行研究发现，在一定条件下，

3、 声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅，所以也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。称为液体中的超声光栅。 实验简介实验简介 物理物理文明文明 声光效应的应用声光效应的应用 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。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。清晰图像传真、光信息储存。 物理物理文明文明 实验目的实验

4、目的 1.了解超声致光衍射的原理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；掌握利用声光效应测定液体中声速的方法； 3.掌握测微目镜的使用方法掌握测微目镜的使用方法 物理物理文明文明 实验原理实验原理 压电效应：对某些电介质晶体施加机械应力时，晶体因内部压电效应：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没

5、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。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的

6、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，形变也改变符号。反向时，形变也改变符号。 物理物理文明文明 1、 压电陶瓷换能器与超声波压电陶瓷换能器与超声波 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)， 物理物理文明文明 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

7、期性的变化，形成疏密波。稀疏作用会使液体密胀，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。若超声行波以此液体密度的周期变化，导致其折射率也呈周期变化。若超声行波以 平面波的形式沿平面波的形式沿X轴正方向传播时，波动方程可描述为轴正方向传播时，波动方程可描述为 式中式中y代表各质点沿代表各质点沿x方向偏离平衡位置的位移，方向偏离平衡位置的位移，Am表示质点的最大位表示质点的最大位 移量，移量，Ts为超声波的周期，为

8、超声波的周期， s为超声波的波长。图一给出了某时刻液为超声波的波长。图一给出了某时刻液 体内传播的超声波形（为表示方便，图中质点沿体内传播的超声波形（为表示方便，图中质点沿x方向的位移表示到方向的位移表示到 竖直方向上了）。竖直方向上了）。 2、 超声光栅形成原理超声光栅形成原理 (1) 超声波驻波 ss m x T t Ay 2cos 物理物理文明文明 物理物理文明文明 图图1 1 初始时刻的波形图初始时刻的波形图 图图2 T/42 T/4周期时刻的波形图周期时刻的波形图 图图3 T/23 T/2周期时刻的波形图周期时刻的波形图 物理物理文明文明 从图从图1-1-图图3 3中我们可以看中我们

9、可以看 到驻波在到驻波在T/2T/2个周期内各质点个周期内各质点 处密度变化情况，从图中看出处密度变化情况，从图中看出 奇数点不发生振动，这样的点奇数点不发生振动，这样的点 为波节，且波节与波节处相距为波节，且波节与波节处相距 /2/2，相邻节点处的密度变化，相邻节点处的密度变化 不一致，而相隔一个节点处密不一致，而相隔一个节点处密 度变化一致。这就说明密度具度变化一致。这就说明密度具 有相同变化周期的最小间隔是有相同变化周期的最小间隔是 。 反射板 反射板反射板 物理物理文明文明 (2) 超声光栅超声光栅 在距离等于波长的两点，液体的密度相同，在距离等于波长的两点，液体的密度相同， 折射率也

10、相同，若波长为折射率也相同，若波长为的的单色平行光单色平行光沿着沿着 垂直于超声波传播方向通过上述液体时，因折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，其光栅常数为超声光栅，其光栅常数为。 实际上，超声光栅是移动的实际上，超声光栅是移动的,由超声波的频率由超声波的频率 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对光而言此光栅可认为是静止的. 物理物理文明文

11、明 3 、光栅方程、光栅方程 光栅方程光栅方程 缺级若 明纹 , 2 , 1 , 0, 3 , 2 , 1 , 0,sin kk a d k kkd 物理物理文明文明 本实验中本实验中 f l k k s s 光栅常数为超声波长 f lk kk tansin 入射光波长入射光波长 取取589.30nm k s l fk V 为衍射零级谱线至第为衍射零级谱线至第k级谱线的距离级谱线的距离 为凸透镜为凸透镜2的焦距的焦距 为超声波波长为超声波波长 为超声波在液体中的传播速度为超声波在液体中的传播速度 为信号源的振动频率为信号源的振动频率 k l f s V sin k dk 物理物理文明文明 实验

12、仪器实验仪器 FB760-8型型超声光栅实验仪（数字显示高频功率信超声光栅实验仪（数字显示高频功率信 号源，内装压电陶瓷片号源，内装压电陶瓷片PZTPZT的液槽）、钠光灯、狭的液槽）、钠光灯、狭 缝、凸透镜缝、凸透镜1 1、凸透镜、凸透镜2 2、测微目镜、水、测微目镜、水 物理物理文明文明 （a）是一种常见的丝杠式测微目镜的结构剖面图。鼓轮转动）是一种常见的丝杠式测微目镜的结构剖面图。鼓轮转动 时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动；鼓轮反转时，叉丝玻片时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动；鼓轮反转时，叉丝玻片 因受弹簧恢复力作用而反向移动。有因受弹簧恢复力作用而反向移动。有100个分格的鼓轮每转一个分格的

13、鼓轮每转一 周，叉丝移动周，叉丝移动1mm，所以鼓轮上的最小刻度为，所以鼓轮上的最小刻度为0.01mm。（。（b） 表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米尺、可移动分划板表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米尺、可移动分划板 上的叉丝与竖丝以及被观测的几条干涉条纹。上的叉丝与竖丝以及被观测的几条干涉条纹。 物理物理文明文明 例：为了测量干涉条纹中的例：为了测量干涉条纹中的10个明（或个明（或 暗）条纹距离，可以使叉丝和竖丝对准暗）条纹距离，可以使叉丝和竖丝对准 第第n个明（或暗）条纹，先读毫米标尺个明（或暗）条纹，先读毫米标尺 上的整数，再加上鼓轮上的小数，即为上的整数，再加上鼓轮上的小数，即为

14、该条纹的位置该条纹的位置A。再慢慢移动叉丝和竖。再慢慢移动叉丝和竖 丝，对准第丝，对准第n+10个明（或暗）条纹，得个明（或暗）条纹，得 到位置到位置B。若。若A=2.735mm, B=4.972mm, 则则11个条纹间的个条纹间的10个距离就是个距离就是: 10 x = B-A = 4.972-2.375 = 2.237mm。 注意：注意：1、测微、测微 目镜的竖丝或叉目镜的竖丝或叉 丝交点只能在量丝交点只能在量 程范围程范围内（一般内（一般 取取mm）移）移 动；动； 2、测量时，只、测量时，只 能沿一个方向旋能沿一个方向旋 转读数鼓轮，避转读数鼓轮，避 免空程误差；免空程误差； 物理物理

15、文明文明 实验步骤与内容实验步骤与内容 1.将器件按图放置。将器件按图放置。 2.调节钠灯与狭缝高度；点亮钠灯，照亮狭缝。调节钠灯与狭缝高度；点亮钠灯，照亮狭缝。 3.调节狭缝与透镜调节狭缝与透镜L1的位置，使狭缝与光具座垂直的位置，使狭缝与光具座垂直 （光具座水平，狭缝竖直），狭缝中心法线与透镜（光具座水平，狭缝竖直），狭缝中心法线与透镜L1 的光轴的光轴(即主光轴即主光轴)重合，且与光具座平行，二者间距重合，且与光具座平行，二者间距 为透镜为透镜L1的焦距（即透镜的焦距（即透镜L1射出平行光）。射出平行光）。 物理物理文明文明 4.调节透镜调节透镜L2与测微目镜的高度，使二者光轴与主与测微

16、目镜的高度，使二者光轴与主 光轴重合。调焦目镜，使十字丝清晰。光轴重合。调焦目镜，使十字丝清晰。 5.调节钠灯位置，使钠灯照射在狭缝上，并且上下调节钠灯位置，使钠灯照射在狭缝上，并且上下 均匀，左右对称，光强适宜。均匀，左右对称，光强适宜。 6将待测液体（自来水）注入液槽，将液槽放置于将待测液体（自来水）注入液槽，将液槽放置于 光具座光具座载物台上，放置时，使液槽两侧表面基本垂直上，放置时，使液槽两侧表面基本垂直 于主光轴（于主光轴（液槽内超声波传播方向垂直）。 7.将高频连接线的一端接入液槽盖板上的接线柱，另将高频连接线的一端接入液槽盖板上的接线柱，另 一端接入超声光栅仪上的输出端。一端接入

17、超声光栅仪上的输出端。 8调节测微目镜与透镜调节测微目镜与透镜L2的位置。使目镜中能观察的位置。使目镜中能观察 到清晰的衍射条纹。到清晰的衍射条纹。 物理物理文明文明 9前后移动液槽，从目镜中观察条纹间距是否改前后移动液槽，从目镜中观察条纹间距是否改 变，若是，则改变透镜变，若是，则改变透镜L1的位置，直到条纹间距不变。的位置，直到条纹间距不变。 10微调超声光栅仪上的调频旋钮，使信号源频率与微调超声光栅仪上的调频旋钮，使信号源频率与 压电陶瓷片谐振频率相同，此时，衍射光谱的级次会压电陶瓷片谐振频率相同，此时，衍射光谱的级次会 显著增多且谱线更为明亮。微转液槽，使射于液槽的显著增多且谱线更为明

18、亮。微转液槽，使射于液槽的 平行光束垂直于液槽，同时观察视场内的衍射光谱亮平行光束垂直于液槽，同时观察视场内的衍射光谱亮 度及对称性。重复上述操作，直到从目镜中观察到清度及对称性。重复上述操作，直到从目镜中观察到清 晰而对称稳定的晰而对称稳定的24级衍射条纹为止（使衍射的谱线出级衍射条纹为止（使衍射的谱线出 现间距最大，且最清晰的状态）记录此时的信号源频现间距最大，且最清晰的状态）记录此时的信号源频 率。率。 11.利用测微目镜逐级测量各谱线位置读数，测量时单利用测微目镜逐级测量各谱线位置读数，测量时单 向转动测微目镜鼓轮，以消除转动部件的螺纹间隙产向转动测微目镜鼓轮，以消除转动部件的螺纹间隙

19、产 生的空程误差（例如：从生的空程误差（例如：从3、0、+3）。）。 物理物理文明文明 数据记录数据记录 备注：入射光波长 ：589.30nm，信号源的振动频率 ： Hz 凸透镜2的焦距 ： mm；实验室水温： f 衍射级数衍射级数 k -3-2-10123 谱线位置谱线位置 读数读数 (mm) k l 物理物理文明文明 数据处理数据处理 32 12 1 321kkkkkkk LLLLLLl 物理物理文明文明 936 3 589.3 10157.0 109.130 10 1437(m/s) 0.588 10 k f V l %8 . 1%100 1464 14371464 %100 t t V

20、 VV E 20时，水（H2O）中标准声速vS=1480.0m/s )( 00 ttVVt= 14802.5（13.720） 1464 m/s 物理物理文明文明 思考题思考题 1驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光 栅的光栅常数等于超声波的波长？栅的光栅常数等于超声波的波长？ 2. 测微目镜测量谱线位置读数时，为什么只能沿测微目镜测量谱线位置读数时，为什么只能沿 一个方向旋转？一个方向旋转？ 3. 如果在目镜中观察不到衍射条纹，请分析其原因。如果在目镜中观察不到衍射条纹，请分析其原因。 4. 如果在目镜中观察到的衍射条纹条数过少，请分如果在目镜中观察到的衍射条纹条数过少，请分 析其原因。析其原因。 物理物理文明文明 注意事项注意事项 1.调节个器件时，注意保持其同高共轴调节个器件时，注意保持其同高共轴同轴等高的调节，以凸 透镜1光轴