超声光栅测声速实验报告

实验设计说明书

题目：利用超声光栅测液体中的声速

院部：理工科基础教学部

专业班级： 物理学（创新实验班）1班 学生姓名：某某某 学 号：41106XXX

实验日期： 2013年5月21日

超声光栅测液体中的声速

人耳能听到的声波，其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。

一、实验目的

（1）学习声光学实验的设计思想及其基本的观测方法。 （2）测定超声波在液体中的传播速度。 （3）了解超声波的产生方法。

二、 仪器用具

分光计，超声光栅盒，高频振荡器，数字频率计，纳米灯。

三、 实验原理

将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。 正文：

光声效应的发现无

超声光栅 实验报告

一、实验目的与实验仪器

1.实验目的

（1）了解超声光栅的原理和使用；

（2）利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度。

2.实验仪器

GSG—1 型超声光栅声速仪、超声发生器（工作频率9~13MHz）、换能器、液槽、JJY-1’型分光仪（物镜焦距f = 168mm）、测微目镜（测微范围8mm）、放大镜、待测液及光源（钠灯或汞灯）等。

二、实验原理

介质受到超声波周期性的扰动，其折射率也将发生变化，此时光通过这种介质，就像透过投射光栅一样，这种现象称为超声致光衍射，把这种载有超声波的透明介质称为超声光栅。利用超声光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。

设超声波在液体中以平面波形式沿x方向，在x方向液体中波的形式如下：

y1 = Amcos[2π·( )]

式中，y1为偏离平衡位置的位移量；Am为振幅，Ts为超声波周期，λs为超声波波长。

若在垂直x方向有一反射平面，则超声波被平面反射后沿x反方向传播，有如下方程：

y2 = Amcos[2π·( )]

当正反两方向的平面波叠加形成驻波时，平衡位置的偏移量为

y = y1+y2 = 2Amcos2πcos2π

超声波形成驻波

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级：应用物理学09-2班 姓名：王国强 同组者：庄显丽 教师： 实验4-1 超声光栅与透明液体中声速的测量

【实验目的】

1、观察并体会液体中超声光栅衍射现象

2、学习一种测定透明液体中的声速的方法 3、了解产生超声波的方法 【实验原理】

超声波在液体中以纵波的形式传播，在波前进的路径上，液体被周期压缩与膨胀，其密度产生周期性的变化，形成所谓疏密波。因为液体对光的折射率与液体的密度有关系，所以随着液体密度周期性地变化，其折射率也在周期地变化。如图（4-1-1）所示。

液体中折射率周期性变化的区域起到了与光学上平面光栅相类似的作用，当入射光线和超声波前进方向互相垂直时，发生衍射，这种衍射即为喇曼-奈斯衍射。习惯上，我们常把透明液体（或固体）

中由于超声波使折射率周期性地变化的现象称为超声光栅。所对应的光栅常

数，即为两个相邻疏密部分之间的距离，由图（4-1-1）可见，就是超声波的波长Λ。

由光学理论，一波长为λ的平面光垂直通过光栅常数为d 的光栅时，其第k级亮条纹的衍射角图4-1-1 超声驻波?k满足关系式

dsin?k??k?

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

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级：应用物理学09-2班 姓名：王国强 同组者：庄显丽 教师： 实验4-1 超声光栅与透明液体中声速的测量

【实验目的】

1、观察并体会液体中超声光栅衍射现象

2、学习一种测定透明液体中的声速的方法 3、了解产生超声波的方法 【实验原理】

超声波在液体中以纵波的形式传播，在波前进的路径上，液体被周期压缩与膨胀，其密度产生周期性的变化，形成所谓疏密波。因为液体对光的折射率与液体的密度有关系，所以随着液体密度周期性地变化，其折射率也在周期地变化。如图（4-1-1）所示。

液体中折射率周期性变化的区域起到了与光学上平面光栅相类似的作用，当入射光线和超声波前进方向互相垂直时，发生衍射，这种衍射即为喇曼-奈斯衍射。习惯上，我们常把透明液体（或固体）

中由于超声波使折射率周期性地变化的现象称为超声光栅。所对应的光栅常

数，即为两个相邻疏密部分之间的距离，由图（4-1-1）可见，就是超声波的波长Λ。

由光学理论，一波长为λ的平面光垂直通过光栅常数为d 的光栅时，其第k级亮条纹的衍射角图4-1-1 超声驻波?k满足关系式

dsin?k??k?

实验序号：28 试验时间：2011·11·8 班级：

实验题目：声速测定 实验室： 姓名： 学号： 成绩： 指导教师 【实验目的】

1．了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。 2．学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。

3．通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。

【实验原理】

在波动过程中波速V、波长?和频率f之间存在着下列关系：V?f??，实验中可通过测定声波的波长?和频率f来求得声速V。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。

声波传播的距离L与传播的时间t存在下列关系：L?V?t ，只要测出L和t就可测出声波传播的速度V，这就是时差法测量声速的原理。 1．共振干涉法（驻波法）测量声速的原理：

当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。对于波束1：时，叠加后的波形成波束3：F3?2A?cos?2??X/???cos? t，这里?为声波的角频率，t为经过的时间，X为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按

F1?A?cos(? t?2??X/?)、波束2：F2?A?cos?? t?2??X/??，当它们相交会

cos?2??X/??变化。如图28

液体中超声波声速的测定

人耳能听到的声波，其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。 一、

实验目的

1． 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理 2． 测定超声波在液体中的传播速度 二、

实验仪器

分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。 三、

实验原理

将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。

超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为

N?y,t??N0??Ncos??st?Ksy?

式中ΔN是折射率的变化幅度；

液体中超声波声速的测定

人耳能听到的声波，其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。 一、

实验目的

1． 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理 2． 测定超声波在液体中的传播速度 二、

实验仪器

分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。 三、

实验原理

将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。

超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为

N?y,t??N0??Ncos??st?Ksy?

式中ΔN是折射率的变化幅度；

光栅衍射实验报告

4.10光栅的衍射

【实验目的】

(1)进一步熟悉分光计的调整与使用;

(2)学习利用衍射光栅测定光波波长及光栅常数的原理和方法; (3)加深理解光栅衍射公式及其成立条件。

【实验原理】

衍射光栅简称光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散的一种光学元件。它实际上是一组数目极多、平行等距、紧密排列的等宽狭缝，通常分为透射光栅和平面反射光栅。透射光栅是用金刚石刻刀在平面玻璃上刻许多平行线制成的，被刻划的线是光栅中不透光的间隙。而平面反射光栅则是在磨光的硬质合金上刻许多平行线。实验室中通常使用的光栅是由上述原刻光栅复制而成的，一般每毫米约250~600条线。由于光栅衍射条纹狭窄细锐，分辨本领比棱镜高，所以常用光栅作摄谱仪、单色仪等光学仪器的分光元件，用来测定谱线波长、研究光谱的结构和强度等。另外，光栅还应用于光学计量、光通信及信息处理。 1．测定光栅常数和光波波长

光栅上的刻痕起着不透光的作用，当一束单色光垂直照射在光栅上时，各狭缝的光线因衍射而向各方向传播，经透镜会聚相互产生干涉，并在透镜的焦平面上形成一系列明暗条纹。 如图1所示，设光栅常数d=AB的光栅G，有一束平行光与光栅的法线成i角的方向，入射到光栅上产生衍射。从B点作BC垂直于

光栅衍射实验报告

4.10光栅的衍射

【实验目的】

(1)进一步熟悉分光计的调整与使用;

(2)学习利用衍射光栅测定光波波长及光栅常数的原理和方法; (3)加深理解光栅衍射公式及其成立条件。

【实验原理】

衍射光栅简称光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散的一种光学元件。它实际上是一组数目极多、平行等距、紧密排列的等宽狭缝，通常分为透射光栅和平面反射光栅。透射光栅是用金刚石刻刀在平面玻璃上刻许多平行线制成的，被刻划的线是光栅中不透光的间隙。而平面反射光栅则是在磨光的硬质合金上刻许多平行线。实验室中通常使用的光栅是由上述原刻光栅复制而成的，一般每毫米约250~600条线。由于光栅衍射条纹狭窄细锐，分辨本领比棱镜高，所以常用光栅作摄谱仪、单色仪等光学仪器的分光元件，用来测定谱线波长、研究光谱的结构和强度等。另外，光栅还应用于光学计量、光通信及信息处理。 1．测定光栅常数和光波波长

光栅上的刻痕起着不透光的作用，当一束单色光垂直照射在光栅上时，各狭缝的光线因衍射而向各方向传播，经透镜会聚相互产生干涉，并在透镜的焦平面上形成一系列明暗条纹。 如图1所示，设光栅常数d=AB的光栅G，有一束平行光与光栅的法线成i角的方向，入射到光栅上产生衍射。从B点作BC垂直于