超声光栅实验报告数据(共6篇)

超声光栅实验 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 数据(共6篇) 超声光栅实验报告数据(共6篇) 大学物理实验报告系列之超声光栅 大学物理实验报告 篇二:超声光栅实验及数据处理 超声光栅实验 【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】 光波在液体介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射(亦称声光效应)，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。超声波调制了液体的密度，使原来均匀透明的液体，变成折射率周期变化的“超声光栅”，当光束穿过时，就会产生衍射现象，由此可以准确测量声波在液体中的传播速度。并且，由于激光技术和超声技术的发展，使声光效应得到了广泛的应用。如制成声光调制器和偏转器，可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向，它在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。 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(转 载于:wWw.xIeLw.com 写 论文 网:)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，驻波某一节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，这个节点两边的质点又向左右扩散，使该波节附近成为质点稀疏区，而相邻的两波节附近成为质点密集区。 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 - 1 - 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 图1 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?/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。 ?sin?k?k?(k=0，1，2，„„) (1) 光路图如图2所示。 图2 超声光栅实验光路图 实际上由于?角很小，可以认为: sin?k?lk/f (2) 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，λ为钠光波长，所 - 2 - 以超声波的波长 ??k?/sin?k?k?f/lk (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，使狭缝中心法线与透镜L1的光轴(即主光轴)重合,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，将液槽放置于支架上，放置时，使液槽两侧 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面基本垂直于主光轴。 - 3 - 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，计算第k级光谱线各谱线至衍射零级光谱线的距离lk。 12.计算lk的平均值平均值及总误差。计算液体中的声速V及误差ΔV，写出 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 形式 ;并将测出的声速V与理论值Vt比较，得出百分误差。 【实验数据】 单色光源波长 λ?Δλ,(589.3?0.3)nm 透镜L2焦距f?Δf,(157.0?0.4)mm 被测液体 普通水液体温度t, c 理论值 Vt?V0?α(t?t0),测微目镜分辨率Δls,0.01mm 信号频率??Δ?, ?0.001MHz - 4 - o 表1.衍射级次k和衍射谱线位置 V? ?f? lk ? (m/s) ，P? % ?V?ΔV???ΔV?E??100%? V? E? t?VVt ?100%? 【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的上盖盖平。 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。 - 5 - 篇三:实验27 超声光栅衍射 实验报告 实验27 超声光栅衍射 实验报告 【实验目的】 1.掌握超声光栅原理 2.学会利用超声光栅测量液体中的声速 【实验仪器】 超声源，玻璃皿，激光器，光具座，会聚透镜，超声探头支架，金属白屏。 【原理概述】 1.超声光栅 具有弹性纵向的平面超声波，在液体介质中传播时，其声压时液体分子产生疏密交叠的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化。这种疏密波也是折射率梯度传播的一种模式，形成的层次结构就是超声波的图像。光从垂直方向透射过超声场后，会产生折射和衍射。这一作用，类似光栅，所以叫做超声光栅。 超声光栅原理图 2.超声波的速度与介质的性质 超声波在介质中传播的性质，用声速和衰减度系数两个基本量来表述。超声波速度不仅与声压(p)、密度(?)、折射率(n)有关，而且还受到其他物理性质的影响，因此声速与许多重要的物理参数有关。 在正弦变化的声场中，超声波运动的速度，声压以及介质的密度和折射率的变化规律，都是类似的，都可以用波动方程表示。描述超声场中折射率周期性变化的表达式为: n(y,t)?n0??ncos(?t?ky) (1)其中?为超声波的圆频率，k为波矢量。3、超声的驻波和行波 正弦超声平面波由垂直于玻璃皿底面的方向射于液体中，则声 场中的压力波会被底面反射，形成与入射波同频率的一列反射波，这两列波的声压可分别表示为: ?Pi?PiA?ei(?t?ky) ? (2)i(?t?ky) ?Pr?PrA?e 两列同频率的波相向传播时，依叠加原理，合成声场的声压为P?Pi?Pr，即P?2Picoskye i?t ?(PiA?PrA)ei(?t?ky)(3) 由上式可见，合成声场由两部分组成，第一项代表驻波场，第二项表示在y方向传播的平面波，其振幅为原先两列波振幅之差。若实验中弹性的平面波得到完全反射，则式(3)右边第 二项可以略去，合成的超声波就是一个纯粹的驻波场。介质密度分布和折射率的分布也与驻波场的变化相一致。声压形成的光密处为波节，光疏处为波腹。 由于光向折射率大的的方面弯曲，波节处交迭地每隔半个周期呈现一次会聚强光。实验观察到的超声场的图像，是相对的长时间的平均效应。 4、超声衍射的观测 因光速度远大于声速，即C???，光线很快的通过了超声场，而折射率周期变化所形成的“超声光栅”可以认为是不动的，即把折射率的空间固定的看成: n?n0??ncosky (4)这样所形成的超声光栅对光的衍射可表示为: ?sin?k??K? (5)式(5)中 ?和?分别为超声波和入射光的波长，由该式可知，如果测出?k，?k为K级衍射角。且?已知，则可测出超声波的波长?。若还知道超声波的频率f，则可求出超声波在该液体中的传播速度: ???f (6)这是测量超声波传播速度的有效方法之一。5、超声场的观测 光线经过液体时，在波节(光疏)处基本不发生偏转。因此当光线通过液体后透射到观测屏上，在波腹处产生出亮条纹，波节处为暗条纹。 通过测量透射在观测屏上的N条亮条纹间距d，利用下式 ??2? ?? S1 (7) S1?S2 d (8)N?1 若知道超声波的频率f，则可求出超声波在该液体中的传播速度: ???f (9) 【实验内容】 1(在光具座上按图搭好光路，并调节各原件至共轴，调节透镜的位置，使屏上出现清晰的激光点。 2(连上电路，把超声波探头置于超声池中，调节探头平面和池的底面平行，然后加上驱动信号，调节信号源的振荡频率，直到 在屏上出现衍射条纹，仔细调节频率，探头和超声池之间的距离以及调整整个超声池的方位，直到屏上出现的条纹又多又清晰。 3(测量透镜中心到超声池中心的距离和超声池中心S1’ 到观测屏的距离S2 ，记下透镜的焦距F，多次测量，以求平均值，并计算出超声波的波长。 4(把输出信号同时接入示波器中，以测出其频率f ，算出声速。取不同的10,20条条纹，重复上述步骤5次，求得各次测量的声速的平均值。 5((1) 改变超声池的温度，测不同温度下的声速，寻求变化的规律。 (2) 把超声信号改为脉冲信号，观察现象并解释之。 【实验图像】 观察屏 超声池 透镜 实验光路图 【实验数据分析】 1(声速与温度的关系 1)第一次实验: 算出: 求平均并由算术平均值标准误差公式 ??S'1?29.220 cm?'1?0.00 8S2?51.02 cm ?s2?0.00 8 根据仪器标称的数据: F?2.00cm 实验数据记录: 声速与温度关系表格: 声速与温度关系图 (温度48 。 C时，水中出现大量气泡，估计对读数产生影响，删除数据点。) 可见，超声波波速随温度增加而递增，可以预见，到一定速度后将趋于稳定。 对本方法的讨论与误差分析: 本次实验的方法采用分别记录不同位置条纹的间距再取平均值的方法测量各温度下的条纹间距。这种方法有一定的局限性和误差性: 1( 本方法要求水的温度变化很小，在测量过程中只能有大概一摄氏度的变化。 2( 测量条纹间距时分别测量不同位置条纹后取平均值，这本可以使计算出的声速更加准 确，但因为测量过程中，超声波的频率和水的温度都起了变化，因此，对所测条纹间距求平均值的做法可能引入新的误差。 3( 对温度和频率求平均的做法也会引入新的误差，但若变化不大，则应可以接受。 综上所述，此方法对声速的测量以及对温度的记录均不够严谨和准确，但应可以大致估计出声速与温度的变化关系。 误差分析: 由声速计算公式: V?2? 根据误差传递公式得 S1d f S2N?1 ???2dS1)2?2f(N?1)(S1?S2) 按照本实验方法得实际情况，若假设频率的微小改变不回引起条纹的显著变化 取? f?1KHz 可以看出，单就测量量来说，测量的误差还是比较小的，但这次的误差分析不够准确，因为做了一个并不严谨的假设，只能作为一个参考。 2)第二次实验: 算出: 求平均并由算术平均值标准误差公式 ?? 篇四:超声光栅 实验报告 实验名称: 超声光栅测声速实验 实验目的: ,(了解超声光兰产生的原理。 2(了解生波如何对光信号进行调解 3(通过对液体(非电解质)中声速的测定 ，加深对其概念理解。 实验仪器: WSG-,型超声光栏声速仪 实验原理 光波在传播时被超声波衍射的现象，称为超生致光效应亦称声光效应)。 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变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化，形成疏密波。此时如有平行单色光沿垂直超声波方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射，这一作用，类似于光栅，所以叫超声光栅。 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可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一 点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处; 集区。 在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作用使液体折射率增加，在距离等于波长,的两点，液体的密度相同，折射率也相等，单色平行光沿着垂直于超声波传播方向上通过上述液体时，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，槽中的液体就相当于一个衍射光栅。 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。 (k=0，1，2，„„) 实际上由于 角很小，可以认为: (2) 其中 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 (3) 超声波在液体中的传播速度: (4) 式中 为信号源的振动频率。 实验步骤: 1(用自准法调分光计的望远镜对平行光(即无限远)聚焦，成像在分划 板上。 (1)先目测，调节载物台，望远镜筒，平行光管都初步达到共轴、 水平状态，为进一步细调打下基础。 (2)将平面镜放在载物台上，并与望远镜光轴目测垂直，点亮分光计的小灯，转动目镜，先看清晰分划板上的叉丝，再伸缩目镜筒，使十字窗的像十分清晰，并且用视差法检查(上下左右移 动眼睛，像与十字叉丝无相对位移)，使十字窗及其反射像与分划板叉丝无视差。由自准直原理 可知，望远镜已调焦至无限远。 ,(采用低压汞灯做光源。 ,(将蒸馏水(试验中用自来水代替)注入液体槽，最高液面以槽侧面刻 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: kclfVΔ=/λν 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. 数据记录与处理 表一，微测目镜中衍射条纹位置读数(mm) - - -思考题 1.用逐差法处理数据的优势是生么, 答:用逐差法可以提高实验数据的利用率，减小了随机误差的影响，另外也可减小中仪器误差分量，因此是一种常用的数据处理方法。 有时为了适当加大逐差结果为个周期，但并不需要逐差出个数据，可以连续测量 n个数据后，空出若干数据不记录，到时，再连续记录 n个数据，对所得两组数据进行逐差可得。 2. 能否用拿光做光源, 答:不能。这于光源的显色性有关。 一般定义日光显色性为100，而越接近100的则越接近日光，但目前人类还无法制造出达到100的光源 钠灯的显色很差的，这是钠的特性决定的，他就是黄光，显色大概只有20-40左右。而高压汞灯通常为50-60左右，超高压汞灯可以达到70-80甚至更高 而金卤灯(金属卤化物气体放电灯，金属卤化物灯，氙灯)这种灯如果购买的是5000-6500K色温的灯泡，显色性可以达到85-90，可以替代汞灯。 但钠灯显然不可以替代汞灯。 篇五:超声光栅测液体中的声速 实验报告 实验设计 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 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: 光声效应的发现无疑是物理学两大分支的又一次融合，利用超声光栅测量液体中的声速就是这一物理现象的应用。此次实验的仪器包括超声光栅池、超声仪、分光计、测微目镜以及光源。 由于声波是纵波，所以当超声波在液体(本实验用的是水)传 播时，声波的振动会引起液体密度空间分布的周期性变化(如右图)，进而导致液体的折射率亦呈周期性分布(如右图)。如果在某一时间t0，液体密度的空间函数为: ??x???0???sin??st0? ?? 2? ??x?? ?? 其中，?0是液体的静态密度，??是密度的变化幅度，?s是超声波的角频率，?是超声波长，x是超声波的传播方向，也是密度变化的空间方向;此时，折射率 2??? 的空间函数为:n?x??n0??nsin??st0??x??，其中n0为液体的静态折射率 ??? (或称之为平均折射率)，?n为折射率的变化幅度(这个结论是以“同种物质的折射率与其密度成正比”为前提的)。 试验装置原理图如下图所示 实际实验装置图 方向为箭头所示方向矩形A就是超声光栅槽，超声波传播方向垂直于光的传播方向，当超声源B发出的超声波传播到A面，被反射回来，与入射波相干，形成驻波其密度空间结构满足?式，其折射率满足?式(将t0换成t，t为变量)，又由于光速远远大 于声速，故当光穿过超声光栅时，可认为折射率不随时间变化， ?2?? 即n?x??n0??nsin??x? ??? 呈周期性变化，则可看做一个平面光栅，且其光栅常数为? ，因为其空间结构的 分布周期为?。有光栅方程可知:sin??j ?0 ，?j?Z?其中?0为光在真空中的? 波长。 另一方面，当光想通过光栅形成的衍射条纹落在测微目镜的焦平面上，其衍射角还可以表示为:tan??sin?? j?0 x ，其中f为测微目镜的焦距，所以就有 f ? ? x??x，于是?0?0，式子中的vs就是要测的声速，其中fs为超声波fffs?fsvs 的频率，其值可以由超声仪读出，这样，就测出了声速，其表达式为vs? ?0ffs x ? 四、 实验内容及步骤 (1)调节分光计到正常测量状态。 (2)将线路连接好，在超声光栅盒中加入适当的水，将超声光栅盒放在分光计的载物台上，使超声波的传播方向与入射波垂直。 (3)确定高频电压的频率。适当调节高频电压的频率，微微调节压电换能器与反射器之间的距离，以便观察最佳的衍射条纹。实验过程，第一步，对分光计进行准直调节;第二步，在超声光栅池中倒入清水;第三步，打开光源，在测微目镜中能够看到一条白色竖直亮条纹，微调测微目镜的距离，使条纹变得清晰;第四步，打开超声源开关，并调节超声波频率，使视野中出现尽可能多的衍射条纹(如图所示); 第五步，转动测微目镜上的螺旋测微器旋钮，记录每条条纹的相对位置，并求其条纹间距x(用逐差法);利用公式?，求出声速。 此次实验所用超声波频率fs?9.72MHz，测微目镜焦距f?170mm，光在真空中的波长?0=598nm，测得数据如下表所示: 7.910?5.938?7.250?5.275?6.591?4.610 3 ?x?0.659mm ?ff598nm?170mm?9.72MHz ?1499.4m/s所以，求得声速为:vs?0s? x0.659mm 由于实验只有一组数据测量，故无不确定度。 所以，测量结果:v?1499.4m/s 注意事项: ?、实验所用超声仪易发热，为了不使仪器过热，应该尽快记录数据，然后切断电源。 ?、实验结束，超声池中的水应尽快清理，不应长时间浸泡在液体槽内。 ?、超声仪的频率易受外界变化的影响，只要外界变化使其导线电容分布变化，就会对输出频率产生影响，因此应尽量避免震动以及触碰导线。 ?、共振频率一般在10MHz左右，实验中应尽量避免超声仪的频率高于11MHz，一面电路过热。 思考 ?、由公式?要得到公式?，必须首先知道一个前提条件，就是，同种物质的折射率与其密度成正比，如果不是，则不能推出?，理由是，如果折射率和密度无关或成其他关系，则液体的密度呈周期性分布时，其折射率可能不变或成其他关系，只是周期性仍然存在。 ?、 在?的前提之下，载有超声波的液体为什么与熟悉的平面光栅有同样的效果,这是因为，当折射率成周期性分布时，平行光垂直与超声波传播方向通过液体时，不同位置光的光程不一样，就相当于光线通过了折射率相同而宽度呈周期性变化的透明玻 璃，故会发生衍射。 ?、 任意频率的超声波在此实验中都可以形成驻波，，而在于压电换能器达到共振是衍射条纹才会明显增多而且明亮，这是因为，如果频率与共振频率相差较大时，虽然已经形成光栅，但是还可能不够明显，对光的衍射较微弱，现象不明显，所以只有在达到共振时才有明显的衍射条纹。 ?、 由于实验中所用的光是白光，经过衍射会发生色散现象，这对测量条纹间距造成了一定的困难，若用单色钠光源，则实验效果更佳;本实验中，由于光的色散，会出现彩色条纹带，为了与规定相符，记录数据时，记录黄色光所产生的条纹的位置，作为条纹位置，上面图片中呈现绿色是因为照相机的原因。 ?、 由于实验中超声仪的频率很不稳定，很难抓住条纹数目最多的时刻， 用逐差法求条纹间距，3x? 篇六:超声光栅实验及数据处理 超声光栅实验 北京信息科技大学物理实验室 【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】 光波在液体介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射(亦称声光效应)，这种现象是光波与介质中声波相互作用的 结果。超声波调制了液体的密度，使原来均匀透明的液体，变成折射率周期变化的“超声光栅”，当光束穿过时，就会产生衍射现象，由此可以准确测量声波在液体中的传播速度。并且，由于激光技术和超声技术的发展，使声光效应得到了广泛的应用。如制成声光调制器和偏转器，可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向，它在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。 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，驻波某一节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，这个节点两边的质点又向左右扩散，使该波节附近成为质点稀疏区，而相邻的 两波节附近成为质点密集区。 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 - 1 - 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 图1 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?/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。 ?sin?k?k?(k=0，1，2，„„) (1) 光路图如图2所示。 图2 超声光栅实验光路图 实际上由于?角很小，可以认为: sin?k?lk/f (2) 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，λ为钠光波长，所 - 2 - 以超声波的波长 ??k?/sin?k?k?f/lk (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，使狭缝中心法线与透镜L1的光轴(即主光轴)重合,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，将液槽放置于支架上，放置时，使液槽两侧表面基本垂直于主光轴。 - 3 - 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，计算第k级光谱线各谱线至衍射零级光谱线的距离lk。 12.计算lk的平均值平均值及总误差。计算液体中的声速V及误差ΔV，写出标准形式 ;并将测出的声速V与理论值Vt比较，得出百分误差。 【实验数据】 单色光源波长 λ?Δλ,(589.3?0.3)nm 透镜L2焦距f?Δf,(157.0?0.4)mm 被测液体 普通水液体温度t, c 理论值 Vt?V0?α(t?t0),测微目镜分辨率Δls,0.01mm 信号 频率??Δ?, ?0.001MHz - 4 - o 表1.衍射级次k和衍射谱线位置 V? ?f?lk ? (m/s) ?V?ΔV???ΔV?E??100%? V?E? t?VVt ?100%? ，P?% 【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的上盖盖平。 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。 - 5 -