五邑大学超声光栅测定声速实验-绝对零度..doc

实验08 超声光栅测定声速 本实验隶属声光效应实验范畴，在光路中放置一产生声波振动的媒介实现对透过光的调制，而且调制效果可以与声信号存在可计算的联络，让学生了解如何对光信号进行调制，以及实现这一过程的手段，同时也为测量液体（非电解质溶液）中的声速提供另一种思路和方法，而采用超声光栅技术测量液体中的声速，具有设备简单、操作方便、精确度高等优点，因此有必要掌握超声光栅调整方法和测量技术。 【实验目的】 了解超声光栅产生的原理。 了解声波如何对光信号进行调制。 通过对液体（非电解质溶液）中的声速的测定，加深对其概念的理解。 【仪器用具】 型分光计、汞灯及电源、平面反射镜、型超声光栅声速仪 【实验原理】 光波在介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应）。 超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性的变化，形成疏密波，从而使原来具有均匀折射率的透明液体变为具有折射率周期变化的透明液体。此时，如有平行单色光沿垂直于超声波传播方向通过这疏密相同的液体时，就像通过普通刻线光栅一样产生衍射现象，我们把这种经超声波调制作用，使它变为具有折射率周期变化的透明液体称为“超声光栅”。其光栅常数就是超声波在液体中传播的波长。 超声波传播时，前进波被一个垂直于波行进方向的平面反射后，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间液体的疏密变化程度。某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点有向两边散开变为稀疏区，相临波节处变为密集区。在这些驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。在距离等于波长的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图1所示。 单色平行光λ沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波（宽度为），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。图中行波的波长相当于光栅常数。由超声波在液体中产生的光栅作用类似于普通光栅，因此，将这种载有超声的透明介质称为超声光栅。 若入射光是包含有几种不同波长的复色光，则经光栅衍射后，不同波长的同一级次的光谱，按一定次序排列，形成不同颜色的衍射光谱线 图1 　在t和t+T/2 (T为超声振动周期)两时刻振幅y,液体疏密分布和折射率的变化图 当满足声光喇曼－奈斯衍射条件：时，这种衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程（式中为衍射级次，为零级与级间夹角）： 　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （1） 在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的会聚透镜（）与可调狭缝组成平行光系统，如图2所示。 图2 　超声光栅仪衍射光路图 让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜（）和测微目镜组成测微望远系统。若振荡器使晶片发生超声振动，形成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。从图2中可以看出： 　　 　　　　　　　　　　　　 （2） 　　当很小时，我们知道，所以有： 　　　　 （3） 其中为衍射光谱零级至级的距离；为透镜的焦距。所以超声波波长： 　　　 （4） 超声波在液体中的传播的速度： 　　　 　（5） 式中的是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，为同一颜色光衍射条纹间距，因为同一色光的衍射条纹是等间距的，所以。 【仪器介绍】 型分光计的构造 见教材《大学物理实验》实验15分光计的调节与应用。 超声池在分光计上的放置位置 图3　超声池在分光计上的放置位置 图3 液体放置示意图（其中2、3、4、7为分光计配置），1为单色光源（汞），2为分光计狭缝，3为分光计平行光管，4为分光计载物台，5为液体槽盖上的接线柱，6为液体槽及超声片，7为分光计望远镜，8、9为测微目镜。接线柱接出信号线接至电源箱的输出端，由电源箱提供高频信号。 型超声光栅声速仪 　　仪器由超声信号源、超声池、高频信号连接线、测微目镜等组成，并配置了具有11MHz左右共振频率的锆钛酸铅陶瓷片。 图4 超声信号源前面板示意图 图4 超