超声光栅实验Word格式.docx
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超声光栅实验Word格式.docx
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通光孔径:
28mm透镜焦距:
157mm
5.测微目镜测量范围:
0—8mm分辨率:
0.01mm
6.光学导轨长度:
650mm长度测量分辨率:
1mm
四、实验项目
1.了解声光效应的实验原理。
2.学习利用声光效应测量液体中的声速。
3.学习光路准直的调节以及读数显微镜的使用方法
五、注意事项
1.液槽置于载物台上必须稳定,在实验过程中应避免震动,以使超声在液槽内形成稳定的驻波。
导线分布电容的变化会对输出信号频率有影响,因此不能触碰连接液槽和信号源的导线。
2.压电陶瓷片表面与对面的液槽壁表面必须平行,此时才会形成较好的驻波,因此实验时应将液槽
3.压电陶瓷片的共振频率在10MHz左右,在稳定共振时,数字频率计显示的频率应是稳定的,最多只有最末尾有1H2个单位数的变动。
4.实验时间不宜过长,因为声波在液体中的传播与液体温度有关,时间过长,液体温度可能有变化。
实验时,特别注意不要使频率长时间调在10MHz以上,以免振荡线路过热。
5.提取液槽应拿两端面,不要触摸两侧表面通光部位,以免污染,如已有污染,可用酒精清洗干净,或用镜头纸擦净。
6.实验时液槽中会产生一定的热量,并导致媒质挥发,槽壁可见挥发气体凝聚,一般不影响实验结果,但须注意若液面下降太多致使压电陶瓷片外露时,应及时补充液体至正常液面线处。
7.实验完毕应将被测液体倒出,不要将压电陶瓷片长时间浸泡在液槽内。
8.传声媒介在含有杂质时对测量结果影响较大,建议使用纯净水(市售饮用纯净水即可)、分析纯酒精、甘油等,对某些有毒副作用的媒质(如苯等),不建议学生实验使用,教师教学或科研需要时,应注意安全。
9.仪器长时间不用时,请将测微目镜收于原装小木箱中并放置干燥剂。
液槽应清洗干净,自然晾干后,妥善放置,不可让灰尘等污物侵入。
【实验目的】
1.了解超声致光衍射的原理。
2.利用声光效应测量声波在液体中的传播速度。
【实验原理】
压电陶瓷片(PZT)在高频信号源(频率约10MHz)所产生的的交变电场的作用下,发
生周期性的压缩和伸长振动,其在液体中的传播就形成超声波,当一束平面超声波在液体中传播时,其声压使液体分子作周期性变化,液体的局部就会产生周期性的膨胀与压缩,这使得液体的密度在波传播方向上形成周期性分布,促使液体的折射率也做同样分布,形成了所谓疏密波,这种疏密波所形成的密度分布层次结构,就是超声场的图象,此时若有平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时,平行光会被衍射。
以上超声场在液体中形成的密度分布层次结构是以行波运动的,为了使实验条件易实现,衍射现象易于稳定观察,实验中是在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察,由于驻波振幅可以达到行波振幅的两倍,这样就加剧了液体疏密变化的程度。
驻波形成以后,某一时刻t,驻波某一
这个
图1
点两边的质点涌向该节点,使该节点附近成为质点密集区,在半个周期以后,t+T/2,
图1为在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n
的变化分析。
由图1可见,超声光栅的性质是,在某一时刻t,相邻两个密集区域的距离
为,为液体中传播的行波的波长,而在半个周期以后,t+T/2。
所有这样区域的位置整个
漂移了一个距离/2,而在其它时刻,波的现象则完全消失,液体的密度处于均匀状态。
超声场形成的层次结构消失,在视觉上是观察不到的,当光线通过超声场时,观察驻波场
的结果是,波节为暗条纹(不透光),波腹为亮条纹(透光)。
明暗条纹的间距为声波波长
的一半,即为入/2。
由此我们对由超声场的层次结构所形成的超声光栅性质有了了解。
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。
dsinkk(k=o,1,2,……)
(1)
光路图如图2所示。
实际上由于角很小,可以认为:
sinklk/f
其中lk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
dk/sinkkf/Ik(3)
超声波在液体中的传播速度:
v(4)
式中为信号源的振动频率。
【实验仪器】
实验装置主要由控制主机(超声信号源)、低压钠灯、光学导轨、光学狭缝、透镜、超声池、
测微目镜以及高频连接线组成。
如图3所示。
图3超声光栅实验装置
【实验过程】
1•将器件按图3放置。
低压钠灯于超声光栅试验仪相连。
2.调节狭缝与透镜L1的位置,使狭缝与分光计垂直,狭缝中心法线与透镜L1的光轴(即主光轴)重
合,且与分光计平行。
二者间距为透镜L1的焦距(即透镜L1射出平行光)。
3.调节透镜L2与测微目镜的高度,使二者光轴与主光轴重合。
调焦目镜,使十字丝清晰。
4.开启电源。
调节钠灯位置,使钠灯照射在狭缝上,并且上下均匀,左右对称,光强适宜。
5•将待测液体(如蒸馏水、乙醇或其他液体)注入液槽,将液槽放置于分光计上,放置时,使液槽两侧表面基本垂直于主光轴。
6•将高频连接线的一端接入液槽盖板上的接线柱,另一端接入超声光栅仪上的输出端。
7.调节测微目镜与透镜L2的位置。
使目镜中能观察到清晰的衍射条纹。
8前后移动液槽,从目镜中观察条纹间距是否改变,若是,则改变透镜L1的位置,直到条纹间距
不变。
9•微调超声光栅仪上的调频旋钮,使信号源频率与压电陶瓷片谐振频率相同,此时,衍射光谱的级次会显著增多且谱线更为明亮。
微转液槽,使射于液槽的平行光束垂直于液槽,同时观察视场内的衍射光谱亮度及对称性。
重复上述操作,直到从目镜中观察到清晰而对称稳定的2-4级衍射条
纹为止。
10•利用测微目镜逐级测量各谱线位置读数,测量时单向转动测微目镜鼓轮,以消除转动部件的螺
纹间隙产生的空程误差(例如:
从-3、…、0、…、+3)。
11.自拟数据表格,记录各级各谱线的位置读数,计算各谱线衍射条纹平均间距,并计算液体中的
声速V。
【实验数据】
(注:
以下数据不作为仪器验收标准,仅供实验时参考)
单色光源波长
入=(589.3±
0.3)nm
透镜L2焦距
f=(157.0±
0.4)mm
被测液体
普通水
液体温度
t=12oc
VtV。
(tt0)=1497+2.5X(12-25)=1464m/s
信号频率
=9.130MHz
k
Lk
L|k|L|k|1(mm)
L|k|L|k|2/2(mm)
Lk»
3/3(mm)
-3
1.547
0.583
0.585
0.584
-2
2.130
0.586
-1
2.716
0.582
3.298
1
3.883
2
4.499
0.616
0.601
3
5.069
0.570
0.593
0.590
表1.衍射级次k和衍射谱线位置
l
12
LkLk\1
L|k|L|k2「2
L|k|L|k33
(0.583+0.586+…+0.584+0.590)
0.588(mm)
f589.3109157.01039.130106
31437(m/s)
lk0.588103
VtV100%14641437100%1.8%
Vt1464
【注意事项】
1.调节个器件时,注意保持其同高共轴。
2.液槽置于载物台上必须稳定,在实验过程中应避免震动,以使超声在液槽内形成稳定的驻波。
导
线分布电容的变化会对输出信号频率有影响,因此不能触碰连接液槽和信号源的导线。
3.压电陶瓷片表面与对面的液槽壁表面必须平行,此时才会形成较好的驻波,因此实验时应将液槽
4.在稳定共振时,数字频率计显示的频率应是稳定的,最多只有最末尾有1-2个单位数的变动。
5.实验时间不宜过长,因为声波在液体中的传播与液体温度有关,时间过长,液体温度可能有变化。
实验时,特别注意不要使频率长时间调在高频,以免振荡线路过热。
6.提取液槽应拿两端面,不要触摸两侧表面通光部位,以免污染,如已有污染,可用酒精清洗干净,
或用镜头纸擦净。
7.实验时液槽中会产生一定的热量,并导致媒质挥发,槽壁可见挥发气体凝聚,一般不影响实验结
果,但须注意若液面下降太多致使压电陶瓷片外露时,应及时补充液体至正常液面线处。
8.实验完毕应将被测液体倒出,不要将压电陶瓷片长时间浸泡在液槽内。
9.计算时,透镜焦距f为透镜L2的焦距。
10.传声媒介在含有杂质时对测量结果影响较大,建议使用纯净水(市售饮用纯净水即可)、分析纯
酒精、甘油等,对某些有毒副作用的媒质(如苯等),不建议学生实验使用,教师教学或科研需要
时,应注意安全。
11.仪器长时间不用时,请将测微目镜收于原装小木箱中并放置干燥剂。
液槽应清洗干净,自然晾干后,妥善放置,不可让灰尘等污物侵入。
【思考题】
1.为什么声光器件可相当于相位光栅?
2.怎样判断平行光束垂直入射到超生光栅面?
怎样判断压电陶瓷片处于共振状态?
3.从实验数据去检验声光衍射条件是否满足。
【参考资料】
1.沈元华,陆申龙•基础物理实验•北京:
高等教育出版社•2003.275—281
2.光学手册•陕西科技出版社•1986.P.1089
【附录】
纯净液体中的声速
液体名称
温度t0/oc
速度v0ms
m/soC
苯胺
20
1656
-4.6
丙酮
1192
-5.5
苯
1326
-5.2
海水
17
1510-1550
/
15
1497
2.5
甘油
1923
-1.8
煤油
34
1295
甲醇
1123
-3.3
乙醇
1180
-3.6
表中a为温度系数,对于其他温度时的声速可近似按公式VV0(tt0)计算。
上海复旦天欣科教仪器有限公司FD-UG-A型超声光栅实验仪装箱清单您购买的产品与装箱清单中是否符合,请验收。
日期:
年月日
编号
名称
数量
备注
超声光栅实验主机
壹台
低压钠灯
光学导轨
壹根
4
滑块
伍个
5
狭缝转盘
壹个
6
透镜
贰个
焦距约157mm
7
测微目镜
配固定架
8
超声池
9
超声池架
10
高频连接线
11
钠灯连接线
主机电源线
13
壹份
14
合格证
装箱清单
使用说明内
16
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- 超声 光栅 实验