超聲光柵測聲速

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1、超聲光柵測聲速實驗目的1、了解超聲光柵產(chǎn)生的原理。2、掌握用超聲光柵測量超聲波速度的方法。3、通過對液體（非電解質(zhì)溶液）中的聲速的測定，加深對其概念的理解。實驗儀器超聲光柵聲速儀、分光計、酒精、高壓汞燈、測微目鏡實驗原理超聲波作為一種縱波在液體中傳播時，超聲波的聲壓使液體分子產(chǎn)生周期性變化，促使液體的折射率也相應的作周期性變化，形成疏密波。此時如有平行單色光沿垂直超聲波方向通過這疏密相間的液體時，就會被衍射，這一作用，類似于光柵，所以叫超聲光柵。超聲波傳播時，如前進波被一個平面反射，會反向傳播。在一定條件下前進波與反射波可以形成駐波。由

2、于駐波小振幅可以達到單一行波的兩倍，加劇了波源和和反射面之間的的疏密程度，某時刻，駐波的任一波節(jié)兩邊的質(zhì)點都涌向這一點，使該節(jié)點附近形成密集區(qū)，而相鄰波節(jié)處為質(zhì)點稀疏處；集區(qū)。在這些駐波中，稀疏區(qū)使液體的折射率減小，而壓縮作用使液體折射率增加，在距離等于波長Ａ的兩點，液體的密度相同，折射率也相等，如上圖所示。當單色平行光沿垂直于超聲波傳播方向通過液體時，由于光速遠大于液體中聲速，可以認為光波的一波陣面通過液體的過程中，液體的疏密及折射率的周期性變化情況沒有明顯改變，相對穩(wěn)定。這時，因折射率的周期性變化將使光波通過液體后在原先的波陣面上產(chǎn)

3、生相應的周期變化的位相差，在某特定方向上，出射光束會相干加強（或減弱），產(chǎn)生衍射，經(jīng)透鏡聚焦后，即可在焦平面上觀察到衍射條紋。根據(jù)光柵方程可得（k＝0，±1，±2，±3,…）式中為第k級衍射光的衍射角，為光波波長。當角很小時，有：其中dk為衍射光譜上零級至k級的距離，f為透鏡L2的焦距。可以認為各級條紋是等間距分布的。則超聲波波長為其中為相鄰條紋間距。液槽中傳播的超聲波的頻率可由超聲光柵儀上的頻率計讀出，則超聲波在液體中傳播的速度為因此，利用超聲光柵衍射可以測量液體中的聲速。實驗內(nèi)容1、分光計的調(diào)節(jié)：用自準法調(diào)節(jié)望遠鏡聚焦于無窮遠，調(diào)節(jié)

4、望遠鏡主軸垂直于載物臺轉(zhuǎn)軸，調(diào)節(jié)準直管發(fā)出平行光且準直管主軸與轉(zhuǎn)軸垂直。目鏡調(diào)焦使看清分劃板刻線，并調(diào)節(jié)望遠鏡使觀察到的狹縫清晰，狹縫應調(diào)至最小，實驗過程中無需調(diào)節(jié)（采用低壓汞燈作光源）。2、將酒精注入液體槽內(nèi)，液面高度以液體槽側(cè)面的液體高度刻線為準。連接好液槽上的壓電陶瓷片與高頻功率信號源上的連線，將液槽放置到分光計的載物臺上，調(diào)節(jié)載物臺水平調(diào)節(jié)螺絲，使反射回的綠十字像與分劃板調(diào)整叉絲水平線重合，確保光路與液槽內(nèi)超聲波傳播方向垂直。3、衍射條紋調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)準直管套筒，使狹縫像與分劃板調(diào)整叉絲豎線重合。調(diào)節(jié)高頻功率信號源的頻率，使可以觀察到

5、±2級衍射條紋，調(diào)節(jié)狹縫寬度調(diào)節(jié)螺絲使衍射條紋最細，固定望遠鏡。4、將望遠鏡目鏡換成測微目鏡，前后移動測微目鏡使衍射條紋最清晰，旋轉(zhuǎn)測微目鏡，使目鏡視場中分劃板標尺與衍射條紋平行，固定測微目鏡。5、相鄰條紋間距的測量（1）將測微目鏡分劃板標尺移至-2級黃光衍射條紋左側(cè)，單向移動標尺，逐次測出--2、-1、0、1、2級條紋位置。（2）重復（1）操作，分別對綠光、藍光進行測量。（3）利用逐差法，計算出相鄰條紋間距。數(shù)據(jù)記錄與處理實驗原始數(shù)據(jù)已知數(shù)據(jù)汞燈波長：汞藍光435.8nm汞綠光546.1nm汞黃光578.0nm由實驗數(shù)據(jù)及測量公式：可

6、得下表環(huán)境條件溫度10℃k級條紋位置/mm黃光綠光藍光λ＝578.0nmλ＝546.1nmλ＝435.8nm-22.0602.1502.570-12.8603.0103.20003.7103.7103.71014.5204.5004.31025.3805.3404.680相鄰條紋間距/mm0.830.780.54頻率10.80透鏡焦距f/mm170聲速(實驗值)/m·s-11278.561285.441481.72聲速(理論值：)/m·s-11216百分誤差δ5.14%5.71%21.85%誤差分析1、儀器誤差2、由于實驗者原因，對于讀

7、數(shù)產(chǎn)生的誤差3、實驗環(huán)境條件（溫度、氣壓等）造成的誤差注意事項1．鋯鈦酸鉛陶瓷片未放入有媒質(zhì)的液體槽前，禁止開啟信號源。2．實驗過程中要防止震動，也不要碰觸連接超聲池和高頻電源的兩條導線。因為導線分布電容的變化會對輸出電頻率有微小影響。只有壓電陶瓷片表面與對面的玻璃槽壁表面平行時才會形成較好的表面駐波，因而實驗時應將超聲池的上蓋蓋平。3．一般共振頻率在11MHz左右，WSG－Ⅰ型超聲光柵儀給出9.5-12MHz可調(diào)范圍。在穩(wěn)定共振時，數(shù)字頻率計顯示的頻率值應是穩(wěn)定的，最多只有末尾1－2個單位數(shù)的變動。4．實驗時間不宜太長。特別注意不要使

8、頻率長時間調(diào)在11MHz以上，以免振蕩線路過熱。5．測量完畢應將超聲池內(nèi)待測液體倒出，不能長時間將鋯鈦酸鉛陶瓷片浸泡在液體槽內(nèi)。6．聲波在液體中的傳播與液體溫度有關，要記錄待測液體溫度，并進行溫度修正。7．