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超声波光栅测声速实验报告

超声波光栅测声速实验报告

实验名称：超声光栅测声速实验

实验目的：

1.了解超声光兰产生的原理。

2.了解生波如何对光信号进行调解

3.通过对液体(非电解质)中声速的测定，加深对其概念理解。

实验仪器：WSG-l型超声光栏声速仪

实验原理

光波在传播时被超声波衍射的现象，称为超生致光效应亦称声光

效应)。超声波作为一种纵波在液体中传播时，超声波的声压使液体

分子产生周期性变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化，形

成疏密波。此时如有平行单色光沿垂直超声波方向通过这疏密相间的

液体时，就会被衍射，这一作用，类似于光栅，所以叫超声光栅。

超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定

条件下前进波与反射波可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一

行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻

波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，

而相邻波节处为质点稀疏处;

集区。在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作

用使液体折射率增加，在距离等于波长A的两点，液体的密度相同，

折射率也相等，单色平行光沿着垂直于超声波传播方向上通过上述液

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，槽中的液体就相当于一个衍射光栅。

当平行光通过超声光栅时，光线衍射的主极大位置由光栅方程决

定。

(k=0，1，2，)实际上由于角很小，可以认为：

(2)其中为衍射零级光谱线至第k级光谱线的距离，f为L2透镜的焦

距，所以超声波的波长

(3)超声波在液体中的传播速度：

(4)式中为信号源的振动频率。

实验步骤：

1.用自准法调分光计的望远镜对平行光(即无限远)聚焦，成像在分划

板上。

(1)先目测，调节载物台，望远镜筒，平行光管都初步达到共轴、水

平状态，为进一步细调打下基础。

(2)将平面镜放在载物台上，并与望远镜光轴目测垂直，点亮分光计

的小灯，转动目镜，先看清晰分划板上的叉丝，再伸缩目镜筒，使十

字窗的像十分清晰，并且用视差法检查(上下左右移动眼睛，像与十

字叉丝无相对位移)，使十字窗及其反射像与分划板叉丝无视差。由

自准直原理可知，望远镜已调焦至无限远。

2.采用低压汞灯做光源。

3.将蒸馏水(试验中用自来水代替)注入液体槽，最高液面以槽侧面刻

线为准。

4,将此液体槽(可称其为超声池)放置于分光计的载物台上,放置

时,使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴;

5,两支高频连接线的一端各液体槽盖板上的接线柱,另一端接入

超声光栅仪电源箱的高频输出端,然后将液体槽盖板盖在液体槽上;

6,开启超声信号源电源,从阿贝目镜观察衍射条纹,细微调节旋钮

(2),使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;7,如此前分光计已调整到位,左右转动超

声池(可转动分光计载物台或游标盘,细微转动时,可通过调节分光计

图中(15)螺钉实现),能使射于超声池的平行光束完全垂直于超声束,同

时观察视场内的衍射光谱左右级次亮度及对称性,直到从目镜中观察

到稳定而清晰的左右各3-4级的衍射条纹为止;

8,按上述步骤仔细调节,可观察到左右各3-4级以上的衍射光谱;

9,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(例如:从-3,,0,,+3),再用逐差法求出条纹间距

的平均值.

10,声速计算公式为:

kclfVDelta;=/ambda;nu;

式中:ambda;-光波波长;upsilon;-共振时频率计的读数;f-望远镜

物镜焦距(仪器数据);Delta;lk-

同一种颜色的衍射条纹间距.

数据记录与处理

表一，微测目镜中衍射条纹位置读数(mm)

-思考题

1.用逐差法处理数据的优势是生么?

答：用逐差法可以提高实验数据的利用率，减小了随机误差的影

响，另外也可减小中仪器误差分量，因此是一种常用的数据处理方法。

有时为了适当加大逐差结果为个周期，但并不需要逐差出个数据，可

以连续测量n个数据后，