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《用超聲光柵測液體中的聲速》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、用超聲光柵測液體中的聲速實驗?zāi)康?、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。實驗儀器信號源、超聲腔、激光器、測微目鏡、酒精、透鏡壓電效應(yīng)：對某些電介質(zhì)晶體施加機械應(yīng)力時，晶體因內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，導(dǎo)致晶體兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比。這種沒有電場作用，由機械應(yīng)力的作用而使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)機械應(yīng)力由壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力時，電荷符號也改變
2、。電致伸縮效應(yīng)：與壓電效應(yīng)相反，將具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)晶體置于電場中，電場的作用引起電介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心產(chǎn)生相對位移，而這一位移又導(dǎo)致介質(zhì)晶體發(fā)生形變，晶體的這種由外加電場產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)也叫電致伸縮效應(yīng)。晶體形變的大小與外加電場強度成正比，當(dāng)電場反向時，形變也改變符號。實驗原理1超聲波產(chǎn)生原理利用壓電體的逆壓電效應(yīng)發(fā)生機械振動產(chǎn)生超聲波。壓電體在交變電場的作用下發(fā)生周期性的壓縮和伸長，當(dāng)外加交變電場的頻率與壓電體的固有頻率相同時振幅最大。這種振動在媒質(zhì)中傳播就得到超聲波。2超聲光柵形成
3、原理超聲波縱波在盛有液體的玻璃槽中傳播時，液體被周期性地壓縮與膨脹，其密度會發(fā)生周期性的變化，形成疏密波。稀疏作用會使液體密度減小、折射率減小。壓縮作用會使液體密度增大、折射率增大，因此液體密度的周期變化，導(dǎo)致其折射率也呈周期變化。若超聲行波以平面波的形式沿X軸正方向傳播時，波動方程可描述為式中y代表各質(zhì)點沿x方向偏離平衡位置的位移，Am表示質(zhì)點的最大位移量，Ts為超聲波的周期，?s為超聲波的波長。圖一給出了某時刻液體內(nèi)傳播的超聲波形（為表示方便，圖中質(zhì)點沿x方向的位移表示到豎直方向上了）。反射板反射
4、板圖1超聲駐波形成示意圖如果超聲波被液槽的一個垂直于x軸的平面反射，又會反向傳播，當(dāng)反射平面距波源為波長四分之一的奇數(shù)倍時，入射波與反射波分別為兩者疊加得該式說明疊加的結(jié)果形成了駐波：沿x方向各點的振幅為，是x的函數(shù)，隨x呈周期性的變化（波長?s），但不隨時間變化，位相是時間的函數(shù)，但不隨空間變化。某時刻，縱駐波的任一波節(jié)兩邊的質(zhì)點都涌向這個節(jié)點，使該節(jié)點附近成為質(zhì)點密集區(qū)，而相鄰的波節(jié)處為質(zhì)點稀疏區(qū)，半個周期后，這個節(jié)點附近的質(zhì)點又向兩邊散開變?yōu)橄∈鑵^(qū)，相鄰波節(jié)處變?yōu)槊芗瘏^(qū)。由于駐波的振幅可以達到單
5、一行波的二倍，加劇了波源和反射面之間液體的疏密變化程度。液槽內(nèi)距離等于波長?s的任何兩點處，液體的密度相同，折射率也相同。因此，有超聲波傳播的液體相當(dāng)于一個位相光柵，稱為“超聲光柵”。利用超聲光柵衍射測量液體中的聲速當(dāng)平行光沿著垂直于超聲波傳播方向通過液體時，由于光速遠大于液體的聲速，可以認為光波的一波陣面通過液體的過程中液體中的疏密及其折射率的周期變化情況沒有明顯改變，相對穩(wěn)定。這時，因折射率的周期變化將使光波通過液體后在原先的波陣面上產(chǎn)生了相應(yīng)的周期變化的位相差，（在光柵測波長實驗中，是由于平行光
6、通過光柵后產(chǎn)生了光程差）。在某特定方向上出射光會相干加強，產(chǎn)生衍射，經(jīng)過透鏡聚焦，即可在焦平面上觀察到衍射條紋。當(dāng)液槽中傳播的超聲波被液槽的一個玻璃面反射，在一定條件下形成超聲頻率的縱向振動駐波時，可加劇液體的疏密變化程度，使衍射現(xiàn)象加強。超聲波波長?s即相當(dāng)于光柵常數(shù)，根據(jù)光柵方程可得SL1L2PZTdkfθ圖2測液體中的聲速實驗裝置示意圖?ssin?k=k?（k=0，±1，±2，……）式中?k為k級衍射光的衍射角，?為光波波長。當(dāng)?k角很小時，可近似有sin?k=dk/f其中dk為衍射光譜上零級至
7、k級的距離，f為透鏡L2的焦距，而且各級衍射線是等間距分布的。則超聲波波長為液槽中傳播的超聲波的頻率fs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由此利用超聲波光柵衍射可以測量液體中的聲速。v=λSfS實驗步驟1、激光從狹縫出射，調(diào)整透鏡的位置，使屏上成一個清晰的狹縫的像。2、將酒精倒入超聲腔內(nèi),用導(dǎo)線連接壓電陶瓷晶片與信號源，開啟信號源，調(diào)到合適的頻率范圍（10MHZ檔）。3、開啟超聲信號源電源，給壓電陶瓷PZT上加震蕩電壓，從測微目鏡觀察衍射條紋，調(diào)節(jié)頻率微調(diào)，使電振蕩頻率與鋯酞酸
8、鉛陶瓷片固有頻率共振，（選用的壓電陶瓷共振頻率在3MHz左右），這時可從目鏡中觀察到穩(wěn)定而清晰的左右各三級左右的衍射譜線。4、用測微目鏡測量各級衍射條紋的位置（左右各三級），利用逐差法求出譜線平均間距d。5、記錄超聲波頻率。6、記錄液體溫度（粗略認為液體溫度與室溫相同）。數(shù)據(jù)記錄表格實驗室溫度——°C測微目鏡衍射條紋位置讀數(shù)（mm）級n-4-3-2-10123412思考題1.為什么超生腔內(nèi)形成的是縱駐波？2.本實驗如何保證平行光束垂直于聲波的方向？3.駐
