超声光栅实验报告

土”士、1‘+nn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GSG—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-r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：tXyi=A.COS[2n・（f；一石）]式中，刃为偏离平衡位置的位移量；A■为振幅，Ts为超声波周期，Xs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=Aacos[2兀•伉+花）]

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=yi+yz=2A„cos2兀I；cos2兀T；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：Asin叽二k入式中，k为衍射级次，机为k级衍射角。超声光栅光路图如下所示：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：tanj当©k很小时，有•心 *sin<pk=j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k入 kAfA=sin必二"V超声波在液体中传播速度为kAf kfvV=AV二石・V二瓦式中，v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；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；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；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；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错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；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。■数

1.1.数据记录条纹位置度数（单位：mm）-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：v=9.579MHz2.逐差法求条纹间距蓝光：叽绿光：皿2二黄光：呱(4.270-1.878)+ (4.836-2.480) +(5.536一3.105)蓝光：叽绿光：皿2二黄光：呱(4.270-1.878)+ (4.836-2.480) +(5.536一3.105)(4.459-1.405)4x3+ (5.205-2.167)+(5.962-2.945)(4.535-1.282)4x3+(5.326-2.070)+ (6.143-2.880)二0.598二0.7594x3=0.8143.计算超声波在酒精中速度435.8x10-9x168x10-3x9.579xIO6利用蓝光计算:Alfv0.598x10-(mm)(mm)(mm)二1172.8(m/s)利用绿光计算:A2fv也二兀■二546.1x10-利用绿光计算:A2fv也二兀■二546.1x10-9x!68x10-3x9.579x1060.759x10-二1157.8(m/s)利用黄光计算:A3fvV3二硕利用黄光计算:A3fvV3二硕=578.0x10-9x168x10-3x9.579xIO60.814x10-二1142.7(m/s)则超声波在酒精中声速：v则超声波在酒精中声速：v1172.8+1157.8+1142.71157.8(m/s)声速v不确定度叽1）频率不确定度：=△仪二0.02MHz2）""不确定度相邻条纹间距（单位:

级次差仃-/一3(2-1-2(3_(一1平均值444蓝0.5980.5890.6080.598绿0.7640.7600.7770.759黄0.8130.8140.8160.814蓝光：si(Mi)= "=5.8625X10一治：2U(Mi)二JG)2氏+显=x/252x5.8625x10-5+0.0042=0.0196mm①绿光：si®®二'：=Plxy=54347X10"W2U(A“2)二JG)2s沿岛=x/2.52x5.4347x10"5+0.0042=0.0189mm①黄光：s严3①黄光：s严3)U(皿3)==1.1X1。6mm'=v；2.52x1.1x10^+0.00420.00478mm3)声速v的不确定度U.U"=VJ(齣毗+(竽)恋=v +(刊=1172.8XJ(o^8)2x0.0196-+(^)2xO.O22=33.5(ra/s)%=』(皺)2血+(讐)恋=7(莎毗+(；阿=1157.8X^i|f(o^9)2x0,O1892+(^)2xO.O22=28.9(m/s)叽▼，怪血+鬻啓=vJG)2%+C)m=1147.7XJ(爲尸x0.004782+(磊尸x0.0刁二y.2(m/s)叽=；xJU&+ +U幺=；x(38.52+283十代=162(m/s)则超声波在酒精中传播速率 v=(1157.8土16.2)m/s五、分析讨论(提示：分析讨论不少于400字)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。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UMHz左右。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。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。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9斜入射到光栅上，则光栅方程为d(sin0+sin<l>)=kX(k=0,土1,土2,•••),在计算时如果忘记考虑8,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;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。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土16.