超声光栅实验报告

1、超声光栅实验报告一、实验目的与实验仪器1.实验目的（ 1）了解超声光栅的原理和使用；（ 2）利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GSG1 型超声光栅声速仪、 超声发生器 （工作频率 913MHz ）、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， 就像透过投射光栅一样， 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。利用超声光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。设超声波在

2、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：y= Amcos2·)1(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， s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= Amcos2·)(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 = 2A mcos2 cos2 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

3、：Asin = k k式中， k 为衍射级次， 为 k 级衍射角。k超声光栅光路图如下所示：供参考在右侧望远镜中可观察到衍射条纹。从上图中几何关系可知：tan =k当 k 很小时，有sin k=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 =超声波在液体中传播速度为v = A =·=式中， 是换能器共振频率，为同一波长光相邻衍射级别衍射条纹间距。三、实验步骤（ 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，调节望远镜使观察到的狭缝清晰；（ 2）将待测液体注入超声池，液面高度以

4、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）开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍射条纹，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，可观察到左右各 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，使清晰观察到的衍射条纹。利用测微目镜逐级测量其位置读数并记录。供参考四、数据处理1.数据记录条纹位置度数（单位：mm）级

5、次-3-2-10123光色蓝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：= 9.579MHz2.逐差法求条纹间距蓝光：绿光：黄光：= 0.598（mm）= 0.759（mm）= 0.814（mm）3.计算超声波在酒精中速度利用蓝光计算： v1=（）= 1172.8 m/s利用绿光计算： v2=（）= 1157.8 m/s利用黄光计算： v3= 1142.7 m/s（）则超声波在酒精中声速：v（）= 1157.8

6、m/s4.声速 v 不确定度1）频率不确定度：=仪= 0.02MHz2）不确定度相邻条纹间距（单位：mm）级次差光色平均值蓝0.5980.5890.6080.598绿0.7640.7600.7770.759黄0.8130.8140.8160.814供参考22蓝光： sX () = 5.8625 ×mmU() = 0.0196mm2mm2绿光： sX () =5.4347 ×U() = 0.0189mm22黄光： sX () =1.1×mmU() = 0.00478mm3）声速 v 的不确定度 U v= v1= v1= 1172.8×= 38.5（ m/s

7、）= v2= v2= 1157.8×= 28.9（ m/s）= v3= v3= 1147.7×= 7.2（ m/s）= 16.2（ m/s）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（提示：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。 利用逐差法能充分利用了测量数据，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，则不能利用逐差法，所造成的误差也比较大，所以调整找到 3 级的衍射

8、谱线很重要。主要需要以下方法：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而且明亮。本次实验共振频率大概在11MHz 左右。供参考为使平行光束垂直于超声束传播方向， 可微调载物台， 使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。实验中可以微微动一下玻璃槽上盖，主要是使换能器表面与对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一样，可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。（4）如果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 斜入射到光栅上，则光栅方程为d（

9、sin +sin ）= k （ k=0 ，± 1，± 2， ），在计算时如果忘记考虑 ，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， 从望远镜中观察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到共振是衍射条纹才会明显增多而且明亮， 这是因为，如果频率与共振频率相差较大时， 虽然已经形成光栅，但是还可能不够明显， 对光的衍射较微弱， 现象不明显， 所以只有在达到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时超声波在乙醇中传播速率 118