超声光栅实验(教材实验三十).pdf

大学物理实验大学物理实验 超声光栅超声光栅 海南大学物理实验中心海南大学物理实验中心 实验简介实验简介 实验目的实验目的 实验原理实验原理 仪器介绍仪器介绍 实验内容与步骤实验内容与步骤 注意事项注意事项 数据处理要求数据处理要求 思考题思考题 目目录录 3 注意事项注意事项 （一）（一）教师示范操作结束前不可移动、摆弄仪器用具！教师示范操作结束前不可移动、摆弄仪器用具！ （二）（二）不可触摸光学元件的光学面！不可触摸光学元件的光学面！ （三）（三）钠灯需预热五分钟后方可使用，不可反复开关！钠灯需预热五分钟后方可使用，不可反复开关！ （四）（四）实验使用实验使用220V市电电源，注意用电安全！市电电源，注意用电安全！ 19221922年布里渊年布里渊（（L L·BrillouinBrillouin））曾预言曾预言，，当高频声波在当高频声波在 液体在传播时液体在传播时，，如果有可见光通过该液体如果有可见光通过该液体，，可见光将产生可见光将产生 衍射效应衍射效应这一预言在这一预言在1010年后被验证年后被验证，，这一现象被称作声这一现象被称作声 光效应光效应19351935年年，，拉曼拉曼（（RamanRaman））和奈斯和奈斯（（NathNath））对这一效对这一效 应进行研究发现应进行研究发现，，在一定条件下在一定条件下，，声光效应的衍射光强分声光效应的衍射光强分 布类似于普通的光栅布类似于普通的光栅，，所以也称为液体中的超声光栅所以也称为液体中的超声光栅。

实验简介实验简介 声光效应的应用声光效应的应用 用声光效应制成声光器件，如声光调制器、声光偏用声光效应制成声光器件，如声光调制器、声光偏 转器，在激光技术、光信号处理和集成光通信技术转器，在激光技术、光信号处理和集成光通信技术 等方面有着重要的应用等方面有着重要的应用 激光雷达扫描、电视大屏幕显示器的扫描、高激光雷达扫描、电视大屏幕显示器的扫描、高 清晰图像、光信息储存清晰图像、光信息储存 实验目的实验目的 了解声光效应的原理；了解声光效应的原理； 掌握利用声光效应测定液体中声速的方法；掌握利用声光效应测定液体中声速的方法； 掌握测微目镜的使用方法掌握测微目镜的使用方法 实验原理实验原理 1 1、、 压电陶瓷换能器与超声波压电陶瓷换能器与超声波 利用电致伸缩效应（压电陶瓷逆效应），在高频利用电致伸缩效应（压电陶瓷逆效应），在高频 信号源（频率约信号源（频率约10MHz）所产生的的交变电场）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（液体中的传播就形成超声波（20000Hz)，， 2 2 超声光栅超声光栅 (1) 超声波驻波超声波驻波 2 2 超声光栅超声光栅 (2) 超声光栅超声光栅 在距离等于波长的两点，液体的密度相同，折射率在距离等于波长的两点，液体的密度相同，折射率 也相同，若波长为也相同，若波长为λ的的单色平行光单色平行光沿着垂直于超声波传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的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射 条纹，相当于一超声光栅，其光栅常数为条纹，相当于一超声光栅，其光栅常数为λ。

实际上，超声光栅是移动的实际上，超声光栅是移动的,由超声波的频率决定，由超声波的频率决定， 但光的频率远远大于超声波的频率，故对光而言此光但光的频率远远大于超声波的频率，故对光而言此光 栅可认为是静止的栅可认为是静止的. 3 3 光栅方程光栅方程 θS S1 S2 P O r1 r2 D C x d θ E    =+± =± = 暗纹 明纹 杨氏双缝干涉 ), 2 , 1(2) 12( ), 2 , 1 , 0(   kk kk D x d λ λ 3 3 光栅方程光栅方程 ϕ P a S L1 L2 A B C dL f ϕ      =+± =± = 中央明纹 明纹 暗纹 单缝衍射 0 ), 2 , 1(2) 12( ), 2 , 1( sin  kk kk aλ λ ϕ 光栅方程光栅方程 缺级若 主明纹   , 2 , 1 , 0, 3 , 2 , 1 , 0,sin =′= =±= kk a d k kkdλθ 3 3 光栅方程光栅方程 2015-5-14 本实验中本实验中 3 3 光栅方程光栅方程 f l k k s λ λ= s λ光栅常数为超声波长 f lk kk =≈ϕϕtansin 入射光波长入射光波长取取589.30nm k s l fk V νλ νλ = = 为衍射零级谱线至第k级谱线的距离 为凸透镜2的焦距 为超声波波长 为超声波在液体中的传播速度 为信号源的振动频率 k l f s λ V ν λ L2 超声光栅实验仪超声光栅实验仪（（数字显示高频功率信号源数字显示高频功率信号源，， 内装压电陶瓷片内装压电陶瓷片PZTPZT的液槽的液槽））、、钠光灯钠光灯、、狭缝狭缝、、 凸透镜凸透镜1 1、、凸透镜凸透镜2 2、、测微目镜测微目镜、、水水 实验仪器实验仪器 实验内容与步骤实验内容与步骤 一、同轴等高光路调整，得到清晰的狭缝像一、同轴等高光路调整，得到清晰的狭缝像 1、 液槽内充好纯净水，连接好液槽上的压电陶瓷片与 高频功率信号源上的连线，将液槽放置到载物台上，且 光路与液槽内超声波传播方向垂直； 2、点亮钠灯，照亮狭缝，调节所有器具同轴等高；。

3、旋转测微目镜镜头（切勿从镜筒中取出），看清楚视 场中的十字叉丝； 4、旋转测微目镜鼓轮，使主尺读数在5mm附近此 时，十字叉丝处于视场正中央； 5、调整水槽位置，得到清晰的狭缝像，若狭缝像的宽度 发生变化，则调整凸透镜1的位置，使狭缝位于凸透镜1 的焦平面上； 6、调整凸透镜2的位置，得到清晰的狭缝像 实验内容与步骤实验内容与步骤 二、得到清晰的超声光栅衍射像二、得到清晰的超声光栅衍射像 1、仔细减小狭缝宽度至0.5mm左右，得到狭缝 衍射图样（3根谱线）； 2、调节高频功率信号源的频率和液槽方位，直 到视场中出现稳定而且清晰的左右各二级以上对 称的衍射光谱（最多能调出4级），再细调频率， 使衍射的谱线出现间距最大，且最清晰的状态， 记录此时的信号源频率； 3、用测微目镜，对水的超声光栅现像进行观察， 测量各级谱线的位置读数，注意旋转螺纹的方向 一致，防止产生空程误差 实验内容与步骤实验内容与步骤 三、计算超声波在水中的传播速度三、计算超声波在水中的传播速度 1、记录钠光波长λ、信号源的振动频率ν、测 微目镜位置n1和凸透镜2的位置n2； 2、计算凸透镜2焦距f； 3、计算超声波的波长； 4、给出超声波在水中传播速度的完整表达结果。

k=-4 -3 -2 -10+1 +2 +3 +4 注意事项注意事项 1、测微目镜的竖丝或叉丝交点只能在量程范围、测微目镜的竖丝或叉丝交点只能在量程范围 内（一般取内（一般取1~9mm）移动；）移动； 2、测量时，只能沿一个方向旋转读书鼓轮，避、测量时，只能沿一个方向旋转读书鼓轮，避 免空程误差；免空程误差； 3.同轴等高的调节，以凸透镜同轴等高的调节，以凸透镜1光轴为主光轴；光轴为主光轴； 4.实验完毕，及时将被测液体倒出实验完毕，及时将被测液体倒出 k l 表表1 1 超声光栅测声速超声光栅测声速 实验数据记录表格实验数据记录表格 衍射衍射 级数级数 k -3-2-10123 谱线位 置读数 (mm) k l 备注：钠光波长λ：589.30nm，信号源的振动频率ν：Hz 测微目镜位置n1：mm；凸透镜2的位置n2：mm； 凸透镜2焦距f：mm( ) 21 nnf−= 数据处理数据处理       −+−+−=∆ ∑∑∑ = − = − −= − 2 1 3 2 0 2 2 1 1 3/ )(2/ )()( 9 1 K KK K KK K KK LLLLLLL L f V s ∆ == λν νλ 以获取0、±1、 ±2级谱线为例 相邻谱线的间距为 超声波在水中的传播速度为 10分 数据处理数据处理 ()                   ∆−         − +         ∆−         − +∆−− × = −− −∆ 2 3 2 2 2 1 3223 1 L LL L LL LLLu KKKK kkLA mmu LB 005.0= ∆ 不确定度分析 1、相邻谱线的间距△L的A类不确定度 20分 2、相邻谱线的间距△L的B类不确定度 3、相邻谱线的间距△L的标准不确定度 LBL L uuu∆∆ ∆ += 22 数据处理数据处理 4、钠光波长的标准不确定度 Hzuu B 6 101 . 0 ×== νν nmu3 . 0= λ 5、超声波频率的标准不确定度 mmuu Bff 1== 6、 凸透镜2焦距的标准不确定度 数据处理数据处理 7、 超声波在水中传播速度的合成相对标准不确定度 2222         ∆ +         +         +         = ∆Lf CV u L V u V u f V u V V u λν λν CVCV uU2= 8、超声波在水中传播速度的合成扩展不确定度 2),/(=±=ksmUVV CV 9、超声波在水中传播速度的完整表达式 思考题思考题 1．驻波波节之间距离为半个波长，为什么超 声光栅的光栅常数等于超声波的波长？ 2. 测微目镜测量谱线位置读数时，为什么只 能沿一个方向旋转？(空程误差) 3. 如果在目镜中观察不到衍射条纹，请分析 其原因。

4. 如果在目镜中观察到的衍射条纹条数过少， 请分析其原因 测微目镜 附录附录 量程范围量程范围0~10mm,0~10mm,主尺读数主尺读数0 0点在右侧点在右侧 。