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超声光栅实验(陈文钦指导学生必看)

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超声光栅实验(陈文钦指导学生必看)_第1页
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单击此处编辑母版标题样式,*,物理,文明,物理,文明,单击此处编辑母版标题样式,*,超声光栅实验(,2606,),超声光栅实验,实验简介,实验目的,实验原理,仪器介绍,实验内容与步骤,注意事项,数据处理要求,思考题,目 录,(一)教师示范操作结束前不可移动、摆弄仪器用具!,(二)不可触摸光学元件的光学面!,(三)钠灯需预热五分钟后方可使用,不可反复开关!,(四)实验使用220V市电电源,注意用电安全!,注意事项,1922年布里渊(L,Brillouin)曾预言,当高频声波在液体在传播时,如果有可见光通过该液体,可见光将产生衍射效应这一预言在10年后被验证,这一现象被称作声光效应1935年,拉曼(Raman)和奈斯(Nath)对这一效应进行研究发现,在一定条件下,声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅,所以也称为液体中的超声光栅实验简介,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,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、光信息储存实验目的,1.,了解超声致光衍射的原理,;,2.,掌握利用声光效应测定液体中声速的方法;,3.,掌握测微目镜的使用方法,实验原理,压电效应:对某些电介质晶体施加机械应力时,晶体因内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化,导致晶体两端面上出现符号相反的束缚电荷,其电荷密度与应力成正比。

这种没有电场作用,由机械应力的作用而使电介质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应当机械应力由压应力变成拉应力时,电荷符号也改变电致伸缩效应:与压电效应相反,将具有压电效应的电介质晶体置于电场中,电场的作用引起电介质内部正负电荷中心产生相对位移,而这一位移又导致介质晶体发生形变,晶体的这种由外加电场产生形变的现象称为逆压电效应也叫电致伸缩效应晶体形变的大小与外加电场强度成正比,当电场反向时,形变也改变符号1、压电陶瓷换能器与超声波,利用压电陶瓷逆效应,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(,20000Hz),,,超声波纵波在盛有液体的玻璃槽中传播时,液体被周期性地压缩与膨胀,其密度会发生周期性的变化,形成疏密波稀疏作用会使液体密度减小、折射率减小压缩作用会使液体密度增大、折射率增大,因此液体密度的周期变化,导致其折射率也呈周期变化若超声行波以平面波的形式沿,X,轴正方向传播时,波动方程可描述为,式中,y,代表各质点沿,x,方向偏离平衡位置的位移,,A,m,表示质点的最大位移量,,T,s,为超声波的周期,,s,为超声波的波长。

图一给出了某时刻液体内传播的超声波形(为表示方便,图中质点沿,x,方向的位移表示到竖直方向上了)2,、超声光栅形成原理,(1),超声波驻波,图,1,初始时刻的波形图,图,2 T/4,周期时刻的波形图,图,3 T/2,周期时刻的波形图,从图,1-,图,3,中我们可以看到驻波在,T/2,个周期内各质点处密度变化情况,从图中看出奇数点不发生振动,这样的点为波节,且波节与波节处相距,/2,,相邻节点处的密度变化不一致,而相隔一个节点处密度变化一致这就说明密度具有相同变化周期的最小间隔是,反射板,反射板,(2),超声光栅,在距离等于波长的两点,液体的密度相同,折射率也相同,若波长为的,单色平行光,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,相当于一超声光栅,其光栅常数为,实际上,超声光栅是移动的,由超声波的频率决定,但光的频率远远大于超声波的频率,故对光而言此光栅可认为是静止的.,3,、光栅方程,光栅方程,本实验中,入射光波长 取,589.30nm,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,实验仪器,FB760-8,型,超声光栅实验仪(数字显示高频功率信号源,内装压电陶瓷片PZT的液槽)、钠光灯、狭缝、凸透镜,1,、凸透镜,2,、测微目镜、水,(,a,)是一种常见的丝杠式测微目镜的结构剖面图。

鼓轮转动时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动;鼓轮反转时,叉丝玻片因受弹簧恢复力作用而反向移动有,100,个分格的鼓轮每转一周,叉丝移动,1mm,,所以鼓轮上的最小刻度为,0.01mm,b,)表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米尺、可移动分划板上的叉丝与竖丝以及被观测的几条干涉条纹例:为了测量干涉条纹中的,10,个明(或暗)条纹距离,可以使叉丝和竖丝对准第,n,个明(或暗)条纹,先读毫米标尺上的整数,再加上鼓轮上的小数,即为该条纹的位置,A,再慢慢移动叉丝和竖丝,对准第,n,+10,个明(或暗)条纹,得到位置,B,若,A=2.735mm,B=4.972mm,则,11,个条纹间的,10,个距离就是,:,10,x,=B-A=4.972-2.375=2.237mm,注意:,1,、测微目镜的竖丝或叉丝交点只能在量程范围,内(一般取,mm,)移动;,2,、测量时,只能沿一个方向旋转读数鼓轮,避免空程误差;,实验步骤与内容,1.,将器件按图放置2.,调节钠灯与狭缝高度;点亮钠灯,照亮狭缝3.,调节狭缝与透镜,L1,的位置,使狭缝与光具座垂直(光具座水平,狭缝竖直),狭缝中心法线与透镜,L1,的光轴,(,即主光轴,),重合,且与光具座平行,二者间距为透镜,L1,的焦距(即透镜,L1,射出平行光)。

4.,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5.,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6,将待测液体(自来水)注入液槽,将液槽放置于光具座,载物台,上,放置时,使液槽两侧表面基本垂直于主光轴(,液槽内超声波传播方向垂直),7.,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8,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9,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10,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,24,级衍射条纹为止(,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11.,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,)。

数据记录,备注:,入射光波长 :,589.30nm,,信号源的振动频率 :,Hz,凸透镜,2,的焦距 :,mm,;,实验室水温,:,衍射级数,k,-3,-2,-1,0,1,2,3,谱线位置读数,(mm),数据处理,20,时,水(,H,2,O,)中标准声速,v,S,=1480.0m/s,=,1480,2.5,(,13.7,20,),1464,m/s,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?,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,请分析其原因注意事项,1.,调节个器件时,注意保持其同高共轴,同轴等高的调节,以凸透镜,1,光轴为主光轴;,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,12,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人有了知识,就会具备各种分析能力,,明辨是非的能力所以我们要勤恳读书,广泛阅读,,古人说“书中自有黄金屋通过阅读科技书籍,我们能丰富知识,,培养逻辑思维能力;,通过阅读文学作品,我们能提高文学鉴赏水平,,培养文学情趣;,通过阅读报刊,我们能增长见识,扩大自己的知识面有许多书籍还能培养我们的道德情操,,给我们巨大的精神力量,,鼓舞我们前进,。

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