1、利用超聲光柵測定液體中的聲速實驗簡介:光通過處在超聲波作用下的透明介質時發生衍射的現象稱作聲光效應。1922年布里淵（Brillouin,L.18891969）曾預言液體中的高頻聲波能使可見光產生衍射效應，10年后被證實。1935年拉曼（Raman,C.V.18881970）和奈斯（Nath）發現，在一定條件下，聲光效應的衍射光強分布類似于普通光柵的衍射。這種聲光效應稱作拉曼奈斯衍射，他提供了一種調控光束頻率、強度和方向的方法。本實驗要求在理解超聲光柵基本原理的基礎上掌握實驗的調節和測量方法。實驗目的：1、了解超聲光柵產生的原理。2、了解聲波如何對光信號進行調制。3、通過對液體（非電解質溶液）

2、中的聲速的測定，加深對其概念的理解。實驗儀器：超聲光柵實驗儀（數字顯示高頻功率信號源及內裝壓電陶瓷片的液槽）、分光計、低壓汞燈、溫度計。實驗原理:1、超聲光柵的形成在透明介質中傳播的超聲波使介質的局部發生周期性的壓縮與膨脹,以至密度隨之發生相應的變化，某時刻，縱駐波的任一波節兩邊成為質點密集區,而相鄰的波節處為質點稀疏區；半個周期后兩個節點附近的質點又向兩邊散開變為稀疏區,相鄰波節處變為密集區。稀疏區作用使介質折射率減小，而壓縮作用使介質折射率增大（如圖1所示）。單色平行光束沿著垂直于超聲波傳播方向通過槽中的液體時,因超聲波的波長很短，只要槽A就相當于光柵常數。足夠寬，槽中的液體就像一個衍射光

3、柵，途中的聲波波長圖1在t和t+T（T2為超聲振動周期）兩時刻振幅y,液體疏密分布和折射率n的變化SLiPZTL2圖2超聲光柵衍射光路根據光柵方程，衍射的主極大（光譜線）由下式確定：Asin（k）=k'（k=111-2,7,0,1,2,川）其中九為光源波長，k為干涉級數，中k為光柵衍射零級至k級光譜的夾角。超聲的實驗光路圖如圖2所示，實際上因中角很小，可以認為A中k二k九所以超聲波波長二二k1/1超聲光柵在液體中的傳播速度V=.f式中：f是高頻功率信號源與壓電陶瓷的共振頻率。實驗內容及實驗步驟：1、分光計的調整（調整方法見分光計的使用實驗），用自準直法使望遠鏡聚焦于無窮遠，望遠鏡的光軸

4、與分光計的轉軸中心垂直，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。目鏡調焦使看清分劃板刻線，并以平行光管出射的平行光為準，調節望遠鏡使觀察到的狹縫清晰，狹縫應調至最小，實驗過程中無需調節；2、將待測液體（如蒸儲水、乙醇或其他液體）注入液體槽內，液面高度以液體槽側面的液體高度刻線為準；3、將此液體槽（可稱其為超聲池）放置于分光計的載物臺上，放置時，使超聲池兩側表面基本垂直于望遠鏡和平行光管的光軸；4、兩支高頻連接線的一端各插入液體槽蓋板上的接線柱，另一端接入超聲光柵儀電源箱的高頻輸出端，然后將液體槽蓋板蓋在液體槽上；5、開啟超聲信號源電源，從阿貝目鏡觀察衍射條紋，細微

5、調節旋鈕（2）,使電振蕩頻率與錯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；6、如此前分光計已調整到位，左右轉動超聲池（可轉動分光計載物臺或游標盤，細微轉動時，可通過調節分光計圖中（15）螺釘實現），能使射于超聲池的平行光束完全垂直于超聲束，同時觀察視場內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定而清晰的左右各34級的衍射條紋為止；7、按上述步驟仔細調節，可觀察到左右各3-4級以上的衍射光譜；8、對水的聲光衍射用分光計分別測量藍紫、綠、黃三條譜線各級的位置，即時記錄頻率和液體溫度（可用室溫）。9、聲速計算公式為：kclfVA=/入y式中：入光波波長；U共振時

6、頻率計的讀數；f望遠鏡物鏡焦距（儀器數據）；AIk同一種顏色的衍射條紋間距。實驗數據記錄及處理：（1）測出藍紫、綠、黃譜線各衍射級的位置546.1nm黃光波長：577.0nm藍紫光波長：435.8nm綠光波長：液體名稱：水頻率:MHz實驗室溫度：位直（角度）-3級-2級-1級零級1級2級3級藍紫光綠人黃光2位置（弧度）±3級父級±1級藍紫光綠人黃光(2由表中的數據計算出各譜線的左右各級衍射間距（3）計算超聲波在水中的波長A=k九/中k,求得波長平均值波長（m）工3級±2級±1級藍紫光綠人黃光二二m（4）計算求得的超聲在水中的聲速相對百分差（水中的聲速公認

7、值為V0=1483m/s）V-V0Et0100%二Vo實驗注意事項1、超聲池置于載物臺上必須穩定，在實驗過程中應避免震動，以使超聲在液槽內形成穩定的駐波。導線分布電容的變化會對輸出電頻率有微小影響，因此不能觸碰連接超聲池和高頻信號源的兩條導線；2、錯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&右，WSG-超聲光柵儀給出1012MHW調范圍。在穩定共振時,數字頻率計顯示的頻率值應是穩定的，最多只有最末尾有1-2個單位數的變動；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，時間過長，溫度可能在小范圍內有變動，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插入溫度計測量；其二，頻率計長時間處于工作狀態，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在12MH擬上，以免振蕩線路過熱；5、在更換液體時必須先關閉信號源否則壓電陶瓷會振裂；提取液槽應拿兩端面，不要觸摸兩側表面通光部位，以免污染，如已有污染，可用酒精乙醛清洗干凈，或用鏡頭紙擦凈。6、實驗完畢應將超聲池內被測液體倒出，不要將錯鈦酸鉛陶瓷片長時間浸泡在