超声光栅实验报告word文档版

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。_____GSG1型超声光栅声速仪、超声发生器工作频率913MHZ、换能器、液槽、JJY1型分光仪物镜焦距F168MM、测微目镜测微围8MM、放大镜、待测液与光源钠灯或汞灯

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_方向，在_方向液体中波的形式如下：?YIA0S2N亍矿式中，Y1为偏离平衡位置的位移量；AM为振幅，TS为超声波周期，入S为超声波波长。假设在垂直_方向有一反射平面，那么超声波被平面反射后沿_反方向传播，有如下方程：?Y2AMCOS2N冠+冠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?YY1+Y22AMCOS2NCOS2N?超声波形成驻波时，压缩作用使节点处折射率增大，稀疏作用使远离节点处折射率变小，这样液体折射率就出现周期性变化，平行光沿着与超声波传播方向呈一定夹角的方向通过时会被衍射。由光栅方程可知：ASINKK入式中，K为衍射级次，K为K级衍射角。超声光栅光路图如下所示：在右侧望远镜中可观察到衍射条纹。从上图中几何关系可知：TANK?十当K很小时，有?SINK二?？式中，IK为零级衍射到K级衍射之间的距离，F为透镜焦距，那么超声波波长为?A一一SIN??超声波在液体中传播速度为?VAV一V一CC?式中，V是换能器共振频率，?为冋一波长光相邻衍射级别衍射条纹间距。

三、实验步骤1分光计的调整：用自准直法使望远镜聚焦无穷远，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，调节望远镜使观察到的狭缝清晰；2将待测液体注入超声池，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准；3将超声池放置分光计的载物台上，使超声池两侧外表根本垂直望远镜和平行光管的光轴；4两支高频连接线的一端插入超声池盖板接线柱，另一端接入超声信号源的高频输出端，然后将液体槽盖板盖在液体槽上；5开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍射条纹，细微调节电振荡频率与锆钛酸铅瓷片固有频率共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮，仔细调节，可观察到左右各34级以上的衍射光谱；6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。禾U用测微目镜逐级测量其位置读数并记录。

四、数据处理

1.数据记录条纹位置度数单位：MM、级次光色XXX蓝

1.8.782480

3.

5.3680

4.270

4.8.365536绿

1.40

5.216.72

9.453680

4.

4.9520

5.5962黄

1.2.822070

2.880

3.680

4.5.3

5.XXX换能器共振频率：V

9.579MHZ蓝光:(4.270

1.878)+(4.8.362480)+(5.

5.363105)?14_3绿光:(4.

4.91405)+(5.20

5.2167)+(5.

9.622945)?24_3黄光:(4.5.351282)+(5.

3.262070)+(6.

1.432880)?34_

30.598MM0.759MM0.814MM

2.逐差法求条纹间距

3.计算超声波在酒精中速度利用蓝光计算：

4.358_109_168_103_

9.579_106V1利用绿光计算：厂0.598_103?2?

5.461_109_168_103_

9.579_106利用黄光计算:V2?2_0.759_103?3?

5.780_109_168_103_

9.579_106V3?

30.814_103那么超声波在酒精中声速:V1+V2+V311.728+11.578+11.427V11.72811.57811.427:11.7.84声速V不确定度UV1频率不确定度：仪0.02MHZ蓝光:2?不确定度相邻条纹间距单位：MM级次差?1?3?2?2?3?1平均值光色、444?1蓝0.5980.5890.6080.598绿0.7640.7600.7770.759黄0.8130.8140.8160.814S2_(?1)M?1(?；??匚

5.8625_105口用绿光：S：(?2)"?1(?；??)

5.4347_105MMV

XXX

5.8625_105+0.00

20.0196MM?22?2)V(而)2?+?。22Q?1)V(而)?+仪黄光：S；(?1(??匚

1.1_10窃UV

2.52_

5.4347_105+0.00

20.0189MMU?3)V(而)2?+仪V

2.5_

1.1_106+0.00

20.00478MM3声速V的不确定度U5""(?)2?爲?1+(磐)2?討"池)2?爲?斜+J)2?2?11.728_V(058)2_0.01962+_0.02

2.385匕+“考)嘟?2+(磐)2?2?_V(召2??2+()2?2?11.578乂“需)2_0.01892+(9T5T9)2_0.02

A?>3)2?呎?3+(?)2?V3V(J4?3)2?A?3+(7?)2?11.477_V(01T4)2_0.004782+(蟲)2_0.0

2.272UV3_?21+?22+?23F__

8.52+2892+7.

2.212.5那么超声波在酒精中传播速率V11.7.8162

五、分析讨论提示：分析讨论不少于400字1本次实验数据使用逐差法减小了实验误差。逐差法是针对自变量等量变化，因变量也做等量变化时，所测得有序数据等间隔相减后取其逐差平均值得到的结果。利用逐差法能充分利用了测量数据，具有对数据取平均的效果。2实验中，假设只调出1级衍射谱线，那么不能利用逐差法，所造成的误差也比较大，所以调整找到3级的衍射谱线很重要。主要需要以下方法：调节频率调节旋钮，使电振荡频率与压电换能器固有频率共振，此时衍射光谱级次会显著增多而且明亮。本次实验共振频率大概在11MHZ左右。为使平行光束垂直超声束传播方向，可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。实验中可以微微动一下玻璃槽上盖，主要是使换能器外表与对应面的玻璃槽壁平行，有时会使效果更好。3在超声光栅测声速实验中，当找到谱线后，有时发现两侧光谱的谱线级次不一样，可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。4如果光栅放置时没有使光栅平面与入射光方向垂直，光线以入射角B斜入射到光栅上，那么光栅方程为DSIN0+SIN$K入K0,1,2，在计算时如果忘记考虑会使结果出现偏差。为了消除上述误差，就要调整分光仪使光栅平面与入射光垂直：开亮望远镜上的小灯，转动载物台，从望远镜中观察光栅平面反射回来的绿色十字像，调节载物台的水平调节螺钉B2或B3，使十字像与分划板上的十字线重合；5任意频率的超声波在此实验中都可以形成驻波，而在于压电换能器到达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，所以只有在到达共振时才有明显的衍射条纹。

六、实验结论1本次实验计算的超声波在酒精中传播速率V11.7.8162,与20C时超声波在乙醇中传播速率1180相对误差5竺焉严_100%188%2光栅是重要的分光仪器，能够将包含不同颜色的复色光分散开来，并且通过每种单色光的衍射的光栅方程计算出单色光的入射光波长；3光栅衍射的实验证明了光具有波动性。

七、原始数据要求与提示：此处将原始数据拍成照片贴图即可