南昌大学超声光栅实验报告

南昌大学物理实验报告

课程名称： 大学物理实验

实验名称： 超声光栅

学院： 专业班级：

学生姓名： 学号：

实验地点： 座位号：

实验时间：

一、实验目的： 1.了解超声光栅产生的原理 2.了解声波如何对光信号进行调制 3.通过对液体（非电解质溶液）中的声速的测定，加深对其中声学和光学物理概念的理解 二、实验原理： 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的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性的变化，形成疏密波。此时，如有平行单色光沿垂直于超声波传播方向通过这疏密相同的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声光栅。 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叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间液体的疏密变化程度。某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点有向两边散开变为稀疏区，相邻波节处变为密集区。在这些驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。在距离等于波长A的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图一所示。 单色平行光λ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（宽度为ι），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。图中行波的波长A相当于光栅常数。由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。

当满足声光喇曼－奈斯衍射条件：2πλι/A<<1时，这种衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程（式中k为衍射级次，φk为零级与k级间夹角） 2 在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的会聚透镜（L1）与可调狭缝S组成平行光系统，如图二所示。 让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT 晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜（L2）和测微目镜组成测微望远系统。若振荡器使PZT晶片发生超声振动，形

成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。从图二中可以看出，当φk很小时，有： 其中lk为衍射光谱零级至k级的距离；f为透镜的焦距。所以超声波波长： 超声波在液体中的传播的速度： 式中的v是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，Δlk为同一色光衍射条纹间距。 三、实验仪器： 图三是实验中使用的超声光栅声速仪为WSG-I超声光栅声速仪（有关仪器结构及主要技术性能详见仪器说明书）。1为单色光源（汞），2为分光计狭缝，3为分光计平行光管，4为分光计裁物台，5为液体槽盖上的接线柱，6为液体槽及超声片，7为分光计望远镜，8、9为测微目镜。接线柱接出信号线接至电源箱的输出端，由电源箱提供高频信号。 四、实验内容和步骤： 1、分光计的调整（调整方法可参阅分光计的说明书），用自准直法使望远镜聚焦于无穷远，望远镜的光轴与分光计的转轴中心垂直，平行光管与望远镜同轴并出射平行光，观察望远镜的光轴与载物台的台面平行。目镜调焦使看清分划板刻线，并以平行光管出射的平行光为准，调节望远镜使观察到的狭缝清晰，狭缝应调至最小，实验过程中无需调节； 2、采用低压汞灯作光源； 3、将待测液体（如蒸馏水、乙醇或其他液体）注入液体槽内，液面高度以液体槽侧面的液体

高度刻线为准； 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插入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： 式中：λ－光波波长；υ－共振时频率计的读数；f－望远镜物镜焦距（仪器数据）；Δlk－同一种颜色的衍射条纹间距。 五、实验数据与处理：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mn26.html