声光衍射2013-14陈 (1)

1、声光衍射法测定液体中的声速实验指导书声光衍射法测定液体中的声速实验指导书1 实验原理在弹性介质中声波的传播是一种纵向机械应力波，它会引起介质密度周期性变化，即引起介质密度呈疏密交替的变化向前传播的。当这种机械波在传播中受到在一定限制时即有一反射壁时，该波会反射。反射的波和行进的波相遇，在条件合适情况下可以产生驻波。而驻波会使得在其中的各处的介质呈周期性震荡，不同点震荡的振幅不同。有些点介质振荡振幅为零，此处介质密度相对较大；而有些点介质振荡振幅最大，此处介质密度相对较小。密度大，则折射率大，光不容易通过；密度小，则折射率小，光易通过。这时在这一介质中形成的驻波在宏观上、功能上来看具有光栅的作用

2、。Dnnn0ZlsVs图1-a图1-b图1 超声行波场中的介质折射率分布本实验就是利用这一原理，利用水可以传递声波而设计的。在一装满水的玻璃容器中产生一超声波，而这一超声在介质中传播形成纵波，当该波行进到容器的另一壁时会发生反射；反射波与原行进波相遇而叠加、干涉产生驻波。若光通过这种介质时，就相当于通过一个透射光栅，因而会发生衍射。这种现象称为“声光衍射”，而存在着驻波的声波场的介质则称为“声光栅”，或“水声光栅”。若声波采用超声波时，也称其为“超声光栅”，如图1所示。理论上计算表明，当在液体中形成超声驻波时，相应的折射率变化可表示为 (1)声波反射壁电声换能器PZT液体d0ls入射光p衍射光

3、图2 声光衍射示意图n是介质的折射率，n0是无任何干扰时的介质折射率，n是折射率最大的变化量。从公式中可以看出Z轴上的折射率呈周期性分布，折射率的大小与位置有关。某一时刻，在某些地方折射率最大为n0+n，而在另一些地方折射率最小为n0-n。折射率小处光易通过，折射率大处光不易通过。由于驻波对水的折射率的影响，在某一时刻，使得水的不同部分透光率不同，而且透光位置与不透光的位置是等间距的变化即规则变化，在光照射下具有光栅的功能，如图1所示。从波动理论研究可知，相邻透光的间距是水中声波的波长ls，所以驻波超声光栅的光栅常数就是超声波的波长ls。从光学知识可知，当一束光垂直入射在超声光栅上时，出射光即

4、为衍射光，如图2所示。图2中声光作用长度为d。可证明超声光栅与常规的光栅一样，形成各级衍射的条件是ssin=±kp （k=0，±1，±2，¼¼）（2）k为衍射级数，qk为第k级衍射的衍射角，p为入射光波长，ls 为超声波波长。其衍射光强分布如图3所示，L为光栅到光屏的距离，Dk是同一级明条纹之间的距离。若入射光的波长p已知，依（2）式只要能知道sinqk，就可计算出超声波波长ls。当L>>Dk ，就有sinqk » tgqk = Dk/2L，根据图3衍射光强分布图可测得+k级到-k级条纹之间距离Dk。所以在测得光栅到衍超声

5、光栅qkLDk图3 衍射光强分布射屏的距离L及超声波的频率f后，即可算出超声波在该液体中的传播速度为：V = sf = （k=0，1，2，3，；l=650nm）(3）2 实验仪器2.1 仪器清单半导体激光器 (p = 650nm)、水槽、电声换能器、SLD-2声光衍射仪、500型科学工作室接口、CI6538旋转移动传感器、光具座、CI6504A型光传感器、计算机。图4 传感器通光口和增益装置2.2 仪器功能介绍半导体激光器：发射激光的装置；电声换能器：超声波的波源；水槽：产生超声驻波的装置，即产生水声光栅的装置；SLD-2声光衍射仪：声波频率发生器；500型科学工作室接口：架起传感器与计算机之

6、间的桥梁，将模拟信号AD转化，存储、信号传输等功能。CI6504A型光传感器：将光信号转化为电压信号的装置，由光圈调节装置及增益装置组成，如图4所示：i. 光圈调节装置：由6个宽度不同的通光口（称作光阑）构成，如图4上图所示，分别标有1、2、3 6等，用来调节进入光传感器的光通亮；序号越大，光阑越宽，通光量越大；反之越小。本实验建议选择1号光阑。ii. 增益装置：增益装置是将光阑采集的光信号放大的装置，如图4下图所示。该装置设计为1、10、100三个档位。选择“1”档时，输入计算机的光强不变；选择“100”档时，将光信号放大100倍。所以该光传感器可用来测量微弱光信号。iii. 光传感器的使用

7、：光阑大小及增益开关的选择，是根据计算机显示的图样来确定的。一般来讲若图片上显示光强太小，不易测量，则首先调整光阑，从1号分别调整2、3、6号，不断地去尝试，直至达到显示器构图满意的光强。若调整到最大光阑6号光阑，在显示屏上仍然不能明显测出光强时，此时将光阑调到最小1号，拨大增益开关，如从1档拨到10档；观察图形，是否合适，还嫌小，接着调整光阑大小，直至得到满意的图形。本实验建议增益开关为1档。iv. 光强分布图的采集的标准：采集的衍射光强图样的零级主峰不出现削峰（平峰），光强分布曲线呈现2级以上的光强图，光强分布曲线均匀对称。3 内容和要求3.1 实验内容3.1.1 仪器的正确调节与使用。3

8、.1.2 观察声光衍射现象及记录声光衍射光强度分布曲线。3.1.3 测量并记录实验中的相关数据。3.1.4 正确撰写相关实验报告。3.2 教学要求3.2.1 了解声光相互作用原理，观察声光衍射现象。3.2.2 理解超声光栅形成过程、掌握超声波在水中传播速度的测量方法。3.2.3 用Pasco测量±2级以上明纹间距离Dk 至少8次，单次测量光栅及光屏的位置X1、X2,记录超声波频率f。3.2.4 利用相关公式计算超声波在该液体中的传播速度及不确定度。4 操作指导4.1 仪器粗调4.1.1 检查电路是否连接好；4.1.2 观察水槽中的水位，须没过电声换能器5mm左右；4.1.3 仪器位置

9、：开启激光发射器及水槽下方磁性表座开关，调整各仪器位置满足实验要求：水槽离光屏远一些（为什么？）；4.1.4 光束、水槽和光屏位置粗调：开启激光器电源，观察光线如何穿过水槽，是否垂直？若否，粗调激光发射器、水槽的位置，使激光束垂直穿过水声光栅区域（判定两者是否垂直的准则是：光源附近无反射的光斑。），照射到光圈上，然后锁定磁性表座开关；4.1.5 光束与水槽位置微调：调节激光器背面的上下两个旋钮（上旋钮微调激光束高度，下旋钮微调激光束水平位置。）分别调节消除光源附近反射的光斑（为什么？）。注意：激光发射源背面的两个旋钮可微调激光束的上下、水平方向，确保激光束与超声光栅垂直。但一般只作微调，应避免

10、大幅度调节这两个旋钮，以防光源架上的弹珠松落，无法正常使用。4.1.6 共振频率调节：开启声光衍射仪的开关，缓慢旋转调频旋钮，同时观察衍射斑点的变化，当衍射斑点出现最多时立刻停止调节频率。而此时的频率就是电流震荡频率与换能器的固有频率相同时发生共振现象，产生衍射现象最为明显的时候。记录该频率，为声波所测频率。4.1.7 调整光传感器、光源的高度，使干涉图样能恰好投射选到光阑的中部。4.2 科学工作室500型接口的通道设置4.2.1 检查通道的连接：检查500型科学工作室数字通道1、2是否连接“旋转移动传感器”，模拟通道C是否连接光传感器（这些电缆已连接好，无需连接，只需检查确认。）。注意：若未

11、连接好，连接时须注意，传感器连接采用梅花式插头和插座，插入时，插座和插头花纹要对准插入；若看不清楚，寻找插头上Top标志，Top总是在上方时才可插入。4.2.2 科学工作室的开启：开启500型科学工作室接口电源开关(在其背面)，则绿灯亮；双击计算机桌面上的科学工作室图标，计算机自动寻找科学工作室接口，当计算机自检完成，进入500科学工作室界面；4.2.3 软件连接：通道1、2的设置：鼠标选中“数码”插头图标，按住左键不放并拖到通道1，则计算机自动将通道1、2选中，并弹出“选择感应器”窗口，下拉菜单，选择“旋转移动传感器”，并在弹出的窗口中设定“分格/旋转”为1440即可；通道C的设置：用鼠标左

12、键选中“模拟”插头图标不放并拖到通道C，计算机自动弹出“选择感应器”窗口，选中“光传感器”即可。4.3 图表设置：4.3.1 将图标拖入通道1或通道C，下拉横坐标左下角图标的箭头，选择“数码式输入1”的 “位置（厘米）”，则横坐标的测量量为“位置（厘米）”。 纵坐测量量标默认为“模拟输入C”的“光强”。4.3.2 用鼠标点 “取样选项”图标，取样周期取200HZ左右。图6图表设置14.3.3 点击“500型接口界面”右上角的“向下还原”键，“500接口界面”将隐藏，只剩下控制键界面，如图6左图所示；4.3.4 鼠标点中图表“图形显示”状态栏，移动图表拉至使其左侧贴近控制键界面右侧边，松鼠标。则

13、图表紧挨着控制键界面，如图6图表设置的右图所示；4.3.5 鼠标移到图表右下角尖锐处，光标变为“”时，按住鼠标左键将 “图表”朝45度角斜向下拉，至占满整个桌面为止，松开鼠标。结果如图7所示。4.4 微调：4.4.1 从光源处观察光屏上的衍射斑点是否符合要求：光斑中间光斑是否最亮，是否有三级以上的光斑点出现，并且左右光强是否对称。若不是的话，轻微调节电声换能器使发射面与其对面的反射面（即水槽壁）间的距离及平行度，观察光斑点，光斑点数是否最多、清晰且光斑点尽量对称分布；4.4.2 轻微地调节激光发射背面的“水平移动旋钮”（下面的旋钮），观察衍射光斑的变化、光强是否对称（其实，是再次稍微调整光束与

14、光栅的垂直度）；4.5 测量：若经以上两步调节后，目测通过水槽射出的光在光屏上衍射光斑明纹明显、斑数多，能看到若干级别的衍射斑，且衍射光斑清晰、光强分布对称。图7图表设置24.5.1 调整光屏的通光阑高度，使所有光斑完全可照射到光阑。移动光阑使其对准衍射光斑最左边（或者最右边）的第一个光点，之后点击键；4.5.2 向右边（或者左边）方向移动“旋转移动传感器” 直至通光阑扫描到所有的衍射光斑（ 注意：移动光圈的光阑时，须采集所有的衍射光斑，尽量不采集没有光斑的区域。其次，移动“旋转移动传感器”时应轻、缓慢、均匀，保证图样连线光滑，数据点密集。并且整个实验期间，“旋转移动传感器”只能沿一个方向移动

15、。），点击键，数据采集完毕。4.5.3 点击图标，将图表优化；观察图表，衍射光强的分布是否均匀，左右是否对称，是否明显观察到2级以上完整的衍射光强分布曲线图，主峰是否无削峰出现。若满足以上要求，进行下一步-5.1.1步；4.5.4 若光强分布图左右不对称，再次微调（非常轻微）光源背后下面的旋钮（水平微调旋钮），随时记住旋钮旋转的方向，作为下一次微调的参考方向。切记：调整一次，采集一次数据（重复4.5.1-4.5.2步骤）。4.5.5 每微调一次，记录的数据，须均与上一次光强分布图进行比较（如何比较呢？下拉图表旁的图标的箭头，出现数据菜单，勾选前一组数据同时观测该数据光强图与刚采集数据光强图比较

16、）那个较好一些？确定如何调试“水平旋钮”的方向；4.5.6 若有改进，重复步骤3.5.4-3.5.5不断的与前一组数据比较，如此不断地微调光束与光栅的垂直度，直至调整到满足步骤3.5.3的要求。（除了与最后一次比较的参考数据外，不好的数据须经常整理、删除，以便保留较好的数据，方便最终查询。）注意：移动“旋转移动传感器”时应轻、缓慢、均匀，保证图样连线光滑，数据点密集。采集的图样若发现点稀疏，应更缓慢旋转“旋转移动传感器”或着检查“取样选项”的周期设置是否正确；若出现削峰，应调节光阑大小或增益开关。5 数据测量及打印5.1 数据测量5.1.1 选择光强分布最好的一组数据；点击图表左下角图标，输入

17、图表名称、个人名字、班级、学号；点击图标，优化图表；图9 声光衍射光强分布测量图D25.1.2 若由于操作失误，采集无用数据（不是衍射光强部分）太多，即使按了“满屏”图标，光强分布曲线仍然狭窄，集中在图表的中间，而未满屏。这时，点击图表视窗左下角“放大镜”图标，从左边选择第4级或者第3级暗纹处揿住鼠标左键，然后拖动光标直至到右边同样级数暗纹位置上，放鼠标，此时呈现的图样就是你所测量的光强分布曲线图；5.1.3 测量Dk：点击图表左下角图标，则光标变为+字叉丝。将叉丝放在你所需测量的-k级峰值位置后，揿住鼠标左键拖到+k级峰值位置，鼠标一直按住在该位置静止不动，同时读出横轴下方的数据-即为所测量

18、峰峰值的Dk，记录该数据。重复测量8次，记录数据。5.1.4 用光具座的米尺读出水槽位置X1和光屏位置X2各一次；读出声光衍射仪显示的频率f及记录给出的光波波长p。5.2 打印5.2.1 点击工具栏的“编辑”菜单中的“复制”，将图案直接复制到Word文档中，如图9所示。点击主菜单“文件”，下拉菜单选择“打印”。在 “打印机”的对话框中，“名称”下拉菜单（箭头）选择“0hp laser Jet 1000”打印机，然后“确定”，就可以打印了。若打印不出来，请进行下一步5.2.2。5.2.2 教师使用的计算机只能共享16台，后续的同学有可能连接不上打印机。解决方法：Word文档另存，进入物理实验中心网页存储到网络ftp:/或者自带的U盘中，再到正常连接计算机中，打开你的文档并打印。6 实验相关数据表1 声光衍射相关测量数据次序Dk ( )X1 ( )X2 ( )l( )f ( )k 7 预习思考题7.1 什么叫衍射？什么是光栅衍射？7.2 衍射与光栅衍射图像有何不同？何为驻波？在该实验里何为光栅？7.3 该实验主要计算公式是哪几个?主要测量的物理量是哪些？7.4 PZT换能器在本实验的作用是什么？7.5 要调出较佳的衍射图样应如何调节？如何判定光源是否与光栅垂直了？8 补充讨论题8.1 采用白光为照射光和单色光照射相比