2023年超声光栅实验报告

超声光栅实验报告一、实验目的与实验仪器 １.实验目的ﻩ （1)了解超声光栅的原理和使用; （2)运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ﻩﻩGＳG—1型超声光栅声速仪、超声发生器(工作频率9~１3ＭＨz）、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 ﻩ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，就像透过投射光栅同样，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。运用超声光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。 ﻩ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＝Ａmｃｏｓ［2π·（tT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,λs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＝Aｍcｏs[2π·(tTﻩ 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＝2Aｍcｏs2πxλsﻩ 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：Asｉnφｋ=kλ式中，k为衍射级次，φk为k级衍射角。ﻩ 超声光栅光路图如下所示：ﻩ 在右侧望远镜中可观测到衍射条纹。从上图中几何关系可知：tａnφk=lﻩ 当φk很小时，有sｉnφｋ=l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=kλsinφk ﻩ超声波在液体中传播速度为ｖ=Aν=kλflk·ν=式中，ν是换能器共振频率,Δlk三、实验环节（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,调节望远镜使观测到的狭缝清楚;（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）启动超声信号源电源,从阿贝目镜观测衍射条纹，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,可观测到左右各３－4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,使清楚观测到的衍射条纹。运用测微目镜逐级测量其位置读数并记录。四、数据解决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：ν＝９．５79MHz2.逐差法求条纹间距蓝光：Δlk1＝4.270-1.878+4.836绿光:Δlk2=4.459-1.405+5.205黄光：Δlk3=4.535-1.282+5.326３.计算超声波在酒精中速度运用蓝光计算：ｖ１=λ1fνΔlk1＝435.8×10-9×168×运用绿光计算：v2=λ2fνΔlk2=546.1×10-9×168×10运用黄光计算：v3＝λ3fνΔlk3=578.0×10-9×168×则超声波在酒精中声速：v=v1+v2+v33=4.声速v不拟定度U１)频率不拟定度：Uν＝Δ仪=2）Δl相邻条纹间距(单位:mm)级次差光色lll平均值Δ蓝0.598０.589０.6080.５９８绿0.7６4０.７600．7７７0.759黄０.8１3０.8140.8160.8１４①蓝光:sｅｑ\o（\s\uｐ9(2),\s\do３(X）)（Δlk1)=i=13(Xi-X)2 U(Δlk1)＝(tn)2s①绿光:seq\ｏ（\ｓ＼up9（2),＼s＼do3(X)）（Δlk2）＝i=13(Xi-X)2 U(Δlk2)＝(tn)2s①黄光:seq＼o（\s＼up9(2),\ｓ\do3(Ｘ))（Δlk3)=i=13(Xi-X)2ﻩU(Δlk3)=(tn)2s3）声速v的不拟定度ＵvUv1=v1(∂ln⁡Uv1∂ﻩ ＝１１7２．８×(10.598)2×0.01962+(Uv2＝v２(∂ln⁡Uv2∂ﻩﻩ=１１5７.８×(10.759)2×0.01892+(Uv3=v３(∂ln⁡Uv3∂ =11４7.7×(10.814)2×0.004782+(Uv=13×Uv12+Uv22+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(提醒：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。运用逐差法能充足运用了测量数据,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，则不能运用逐差法，所导致的误差也比较大，所以调整找到3级的衍射谱线很重要。重要需要以下方法:ﻩ ①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并且明亮。本次实验共振频率大约在11MHz左右。ﻩﻩ②为使平行光束垂直于超声束传播方向,可微调载物台，使观测到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。 ﻩ③实验中可以微微动一下玻璃槽上盖,重要是使换能器表面与相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同样,可微调载物台,使观测到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。(4)假如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θ斜入射到光栅上,则光栅方程为d(siｎθ+sinφ)＝kλ(k=０,±1,±２,…）,在计算时假如忘掉考虑θ,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，从望远镜中观测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成共振是衍射条纹才会明显增多并且明亮,这是由于，假如频率与共振频率相差较大时，虽然已经形成光栅,但是还也许不够明显，对光的衍射较薄弱,现象不明显,所以只有在达成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±1６.2）ｍ/s，与２0℃时超声波在乙醇中