1、近代物理實驗 實驗08 超聲光柵測定聲速實驗08 超聲光柵測定聲速本實驗隸屬聲光效應實驗范疇，在光路中放置一產(chǎn)生聲波振動的媒介實現(xiàn)對透過光的調(diào)制，而且調(diào)制效果可以與聲信號存在可計算的聯(lián)絡(luò)，讓學生了解如何對光信號進行調(diào)制，以及實現(xiàn)這一過程的手段，同時也為測量液體（非電解質(zhì)溶液）中的聲速提供另一種思路和方法，而采用超聲光柵技術(shù)測量液體中的聲速，具有設(shè)備簡單、操作方便、精確度高等優(yōu)點，因此有必要掌握超聲光柵調(diào)整方法和測量技術(shù)。【實驗目的】1. 了解超聲光柵產(chǎn)生的原理。2. 了解聲波如何對光信號進行調(diào)制。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。【儀器用具】型分光計、汞燈及電

2、源、平面反射鏡、型超聲光柵聲速儀【實驗原理】光波在介質(zhì)中傳播時被超聲波衍射的現(xiàn)象，稱為超聲致光衍射（亦稱聲光效應）。超聲波作為一種縱波在液體中傳播時，其聲壓使液體分子產(chǎn)生周期性的變化，促使液體的折射率也相應的作周期性的變化，形成疏密波，從而使原來具有均勻折射率的透明液體變?yōu)榫哂姓凵渎手芷谧兓耐该饕后w。此時，如有平行單色光沿垂直于超聲波傳播方向通過這疏密相同的液體時，就像通過普通刻線光柵一樣產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，我們把這種經(jīng)超聲波調(diào)制作用，使它變?yōu)榫哂姓凵渎手芷谧兓耐该饕后w稱為“超聲光柵”。其光柵常數(shù)就是超聲波在液體中傳播的波長。超聲波傳播時，前進波被一個垂直于波行進方向的平面反射后，會反向傳播。在

3、一定條件下前進波與反射波疊加而形成超聲頻率的縱向振動駐波。由于駐波的振幅可以達到單一行波的兩倍，加劇了波源和反射面之間液體的疏密變化程度。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)點稀疏處；半個周期后，這個節(jié)點附近的質(zhì)點有向兩邊散開變?yōu)橄∈鑵^(qū)，相臨波節(jié)處變?yōu)槊芗瘏^(qū)。在這些駐波中，稀疏作用使液體折射率減小，而壓縮作用使液體折射率增大。在距離等于波長的兩點，液體的密度相同，折射率也相等，如圖1所示。單色平行光沿著垂直于超聲波傳播方向通過上述液體時，因折射率的周期變化使光波的波陣面產(chǎn)生了相應的位相差，經(jīng)透鏡聚焦出現(xiàn)衍射條紋。這種現(xiàn)象與平行光通過透

4、射光柵的情形相似。因為超聲波的波長很短，只要盛裝液體的液體槽的寬度能夠維持平面波（寬度為），槽中的液體就相當于一個衍射光柵。圖中行波的波長相當于光柵常數(shù)。由超聲波在液體中產(chǎn)生的光柵作用類似于普通光柵，因此，將這種載有超聲的透明介質(zhì)稱為超聲光柵。 若入射光是包含有幾種不同波長的復色光，則經(jīng)超聲光柵衍射后，不同波長的同一級次的光譜，按一定次序排列，形成不同顏色的衍射光譜線。圖1 在t和t+T/2 (T為超聲振動周期)兩時刻振幅y,液體疏密分布和折射率的變化圖當滿足聲光喇曼奈斯衍射條件：時，這種衍射相似于平面光柵衍射，可得如下光柵方程（式中為衍射級次，為零級與級間夾角）： （1）在調(diào)好的分光計上，由

5、單色光源和平行光管中的會聚透鏡（）與可調(diào)狹縫組成平行光系統(tǒng)，如圖2所示。圖2 超聲光柵儀衍射光路圖讓光束垂直通過裝有鋯鈦酸鉛陶瓷片（或稱晶片）的液槽，在玻璃槽的另一側(cè)，用自準直望遠鏡中的物鏡（）和測微目鏡組成測微望遠系統(tǒng)。若振蕩器使晶片發(fā)生超聲振動，形成穩(wěn)定的駐波，從測微目鏡即可觀察到衍射光譜。從圖2中可以看出： （2）當很小時，我們知道，所以有： （3）其中為衍射光譜零級至級的距離；為透鏡的焦距。所以超聲波波長： （4）超聲波在液體中的傳播的速度： （5）式中的是振蕩器和鋯鈦酸鉛陶瓷片的共振頻率，為同一顏色光衍射條紋間距，因為同一色光的衍射條紋是等間距的，所以。【儀器介紹】1. 型分光計的構(gòu)

6、造見教材大學物理實驗實驗15分光計的調(diào)節(jié)與應用。2. 超聲池在分光計上的放置位置圖3超聲池在分光計上的放置位置圖3 液體放置示意圖（其中2、3、4、7為分光計配置），1為單色光源（汞），2為分光計狹縫，3為分光計平行光管，4為分光計載物臺，5為液體槽蓋上的接線柱，6為液體槽及超聲片，7為分光計望遠鏡，8、9為測微目鏡。接線柱接出信號線接至電源箱的輸出端，由電源箱提供高頻信號。3. 型超聲光柵聲速儀儀器由超聲信號源、超聲池、高頻信號連接線、測微目鏡等組成，并配置了具有11MHz左右共振頻率的鋯鈦酸鉛陶瓷片。圖4 超聲信號源前面板示意圖圖4 超聲信號源前面板示意圖，1是電源開關(guān)，2是頻率微調(diào)鈕，

7、3是正常工作指示燈，4是保護狀態(tài)指示燈，5是高頻信號輸出端（無正負極區(qū)別），6是頻率顯示窗。圖5 超聲信號源后面板及定時選擇開關(guān)示意圖圖5 超聲信號源后面板及定時選擇開關(guān)示意圖，1是定時選擇開關(guān)，2是電源插座。【實驗內(nèi)容與要求】1分光計（調(diào)整方法可參閱教材大學物理實驗實驗15 分光計的調(diào)節(jié)與應用），用自準直法使望遠鏡聚焦于無窮遠，望遠鏡的光軸與分光計的轉(zhuǎn)軸中心垂直，平行光管與望遠鏡同軸并出射平行光，觀察望遠鏡的光軸與載物臺的臺面平行。目鏡調(diào)焦使看清分劃板刻線，并以平行光管出射的平行光為準，調(diào)節(jié)望遠鏡使觀察到的狹縫清晰，狹縫應調(diào)至最小，實驗過程中無需調(diào)節(jié)。2采用低壓汞燈作光源，汞燈光為復色光，實

8、驗中可觀察到黃、綠、藍等衍射條紋。3將待測液體（如蒸餾水、乙醇或其他液體）注入液體槽內(nèi)（液面高度以液體槽側(cè)面的液體高度刻線為準）。4將液體槽座卡在分光計載物臺上，液體槽座的半圓缺口對準并卡住載物臺側(cè)面的鎖緊螺釘（先松開螺釘），放置平衡，并用鎖緊螺釘鎖緊。5將此液體槽（可稱其為超聲池）平穩(wěn)地放置在液體槽座中，放置時，轉(zhuǎn)動載物臺使超聲池兩側(cè)表面基本垂直于望遠鏡和平行光管的光軸（調(diào)整方法與使平面反射鏡調(diào)整的相同）。6兩支高頻連接線的一端各插入液體槽蓋板上的接線柱，另一端接入超聲信號源的高頻輸出端，然后將液體槽蓋板蓋在液體槽上。7開啟超聲信號源電源前，先選擇定時時間。定時時間可選四檔，分別為60分鐘，

9、90分鐘，120分鐘及不選定時，分別是：撥定時選擇開關(guān)1號鍵向右邊時，定時關(guān)閉，即不選定時；撥定時選擇開關(guān)1號鍵向左邊， 2號鍵向左邊時，定時選定為60；撥定時選擇開關(guān)1號鍵向左邊， 2號鍵向右邊，3號鍵向左邊時，定時選定為90；撥定時選擇開關(guān)1號鍵向左邊， 2、3號鍵向右邊，4號鍵向左邊時，定時選定為120。8開啟超聲信號源電源，頻率顯示窗首先會顯示被選定時的時間數(shù)，數(shù)秒后顯示當時的震蕩頻率。被選時間到達前一分鐘，超時報警燈開始連續(xù)閃爍，然后儀器自動停止工作，進入10分鐘倒計時關(guān)機保護，此時保護狀態(tài)指示燈亮；保護狀態(tài)結(jié)束后，儀器將自動開機，并進入正常工作狀態(tài)。9從阿貝目鏡觀察衍射條紋，仔細調(diào)

10、節(jié)頻率微調(diào)鈕（2），使電振蕩頻率與鋯鈦酸鉛陶瓷片固有頻率共振，此時，衍射光譜的級次會顯著增多且更為明亮。10如此前分光計已調(diào)整到位，左右轉(zhuǎn)動超聲池（可轉(zhuǎn)動分光計載物臺或游標盤，細微轉(zhuǎn)動時，可通過調(diào)節(jié)望遠鏡水平方向調(diào)節(jié)螺釘15實現(xiàn)），能使射于超聲池的平行光束完全垂直于超聲波，同時觀察視場內(nèi)的衍射光譜左右級次亮度及對稱性，直到從目鏡中觀察到穩(wěn)定而清晰的左右各34級的衍射條紋為止。11按上述步驟仔細調(diào)節(jié)，可觀察到左右各34級或以上的衍射光譜。12取下阿貝目鏡，換上測微目鏡，接筒在出廠時已裝在測微目鏡上，調(diào)焦目鏡，使清晰觀察到的衍射條紋。利用測微目鏡逐級測量其位置讀數(shù)（例如：從2、·

11、3;· 、0、··· 、2），再用逐差法求出條紋間距的平均值。13聲速計算公式為公式5，式中：光波波長；共振時頻率計的讀數(shù)；望遠鏡物鏡焦距（儀器數(shù)據(jù)）；同一種顏色光的衍射條紋間距。【數(shù)據(jù)表格】在公式5中：為透鏡的焦距=170mm；汞燈波長（其不確定度忽略不計）分別為：汞藍光435.8nm，汞綠光546.1nm，汞黃光578.0nm（雙黃線平均波長）。樣品1純凈水測微目鏡中衍射條紋位置讀數(shù),小數(shù)點后第三位為估數(shù)值：（mm）表 1-1 級色-2-1012黃綠藍用逐差法計算各色光衍射條紋平均間距及標準差：表 1-2光色衍射條紋平均間距X±x聲速黃綠藍

12、將三種不同的波長測量的聲速平均得： m/s手冊值： 1482.9m/s （H2O20）實驗溫度：溫度系數(shù)修正后的聲速： m/s 誤差：樣品295%分析乙醇測微目鏡中衍射條紋位置讀數(shù)：（mm）表 1-3 級 色-2-1012黃綠藍用逐差法計算各色光衍射條紋平均間距及標準差：表 1-4光色衍射條紋平均間距X±x聲速黃綠藍將三種不同的波長測量的聲速平均得： m/s手冊值： 1168m/s（C2H5OH20） 實驗溫度：溫度系數(shù)修正后的聲速： m/s 誤差：【注意事項】1超聲池置于載物臺上必須穩(wěn)定，在實驗過程中應避免震動，以使超聲在液槽內(nèi)形成穩(wěn)定的駐波。導線分布電容的變化會對輸出電頻率有微小

13、影響，因此不能觸碰連接超聲池和高頻信號源的兩條導線；2鋯鈦酸鉛陶瓷片表面與對應面的玻璃槽壁表面必須平行，此時才會形成較好的表面駐波，因此實驗時應將超聲池的上蓋蓋平，而上蓋與玻璃槽留有較小的空隙，實驗時微微扭動一下上蓋，有時也會使衍射效果有所改善；3一般共振頻率在11.3MHz左右，WSG-I超聲光柵儀給出1012MHz可調(diào)范圍。在穩(wěn)定共振時，數(shù)字頻率計顯示的頻率值應是穩(wěn)定的，最多只有最末尾有12個單位數(shù)的變動；4實驗時間不宜過長，其一，聲波在液體中的傳播與液體溫度有關(guān)，時間過長，溫度可能在小范圍內(nèi)有變動，從而回影響測量精度，一般測量可以待測液體溫度同于室溫，精密測量可在超聲池內(nèi)插入溫度計測量；

14、其二，頻率計長時間處于工作狀態(tài)，會對其性能有一定影響，尤其在高頻條件下有可能會使電路過熱而損壞，實驗時，特別注意不要使頻率長時間調(diào)在12MHz以上，以免振蕩線路過熱；5提取液槽應拿兩端面，不要觸摸兩側(cè)表面通光部位，以免污染，如已有污染，可用酒精乙醚清洗干凈，或用鏡頭紙擦凈；6實驗中液槽中會有一定的熱量產(chǎn)生，并導致媒質(zhì)揮發(fā)，槽壁會發(fā)現(xiàn)揮發(fā)氣體凝露，一般不影響實驗結(jié)果，但須注意液面下降太多致鋯鈦酸鉛陶瓷片外露時，應及時補充液體至正常液面線處；7實驗完畢應將超聲池內(nèi)被測液體倒出，不要將鋯鈦酸鉛陶瓷片長時間浸泡在液槽內(nèi)；8以下兩點可明顯提高條紋清晰度和衍射級次：（1）將分光計狹縫內(nèi)的毛玻璃片卸除；（2）光源盡量靠近狹縫。【思考問題】1 用逐差法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點是什么？2 誤差產(chǎn)生的原因？3 能否用鈉燈作光源？4 實驗中觀察到藍線會有晃動，是由什么原因產(chǎn)生？【附錄】溫度不同對測量結(jié)果有一定的影響，可對不同溫度下的測量結(jié)果進行修正