超声光栅

实验 14 用声光效应测量液体中的声速

本实验里，在光路中放置一产生声波振动的媒介实现对透过光的调制，而且调制结果与声信号存在可以计算的联系，可以使我们了解如何对光信号进行调制，以及实现这一过程的手段，同时也为测量液体（非电解质溶液）中的声速提供另一种思路和方法。

原理简介： 原理简介

光波在介质中传播时被超声波衍射的现象，称为“超声致光衍射”（声光效应）。 关于超声波的产生我们已经在前面的有关实验中作了介绍，本实验中不再重述。超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声音的压强（声压）使液体分子产生周期性的变化，从而促使液体的折射率也相应的作周期性的变化，形成疏密波。如果前进的超声波与反射的超声波在合适的距离内，则相互叠加形成稳定的驻波，此时，超声装置中的待测液体就成为“超声光栅”。如果有平行光沿垂直于超声波传播方向通过这疏密相间的液体－“超声光栅”－时，就会发生衍射。

液体介质形成纵驻波，由于驻波的振幅可以达到原单一行波的两倍（即波幅处两波振幅同向而加强，波节处两波振幅反向而减弱），这样，就加剧了波源与反射面之间的液体疏密化程度。仔细研究发现：在某时刻，纵驻波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的密集区，而相邻的波节处则为质点的稀疏区。半个周期后，这个波节附近的质点向两边散开变为稀疏区，相邻节处变为质点的密集区。在这一驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩（密集）作用使液体折射率增大。在距离等于波长A的两点，质点的密度相同，折射率也相同，如图（1）所示：

图1 纵波驻波示意图

平行光沿垂直于超声波传播方向通过上述液体时，就会出现和平行光通过透射光栅的情形一样的衍射。因为超声波（11MHz）的波长很短，所以液体槽的宽度不需要很大就容易维持容纳平面波。

由光学理论可知，波长为λ的平行光垂直通过光栅常数为（a+b）的光栅，第K级条纹的衍射角ϕK

满足关系： （a+b）sinϕK=kλ

对于“超声光栅”，光栅常数等于超声的波长“超声光栅”的衍射方程是： 光栅常数等于超声的波长A，因此，

AsinϕK=kλ。 （1）

实验中，确定超声波的振动频率f，已知光波的波长λ，再通过测量第K级的衍射角ϕK，即可求出超声波的波长A，从而得出超声波在液体中的传播速度。 【实验内容实验内容】实验内容：

本实验在分光计上进行，让平行光垂直通过超声槽，用自准望远镜的物镜和测微目镜组成望远系统。从图(2)可以看出，当ϕK很小时， sinϕK=lK/L （L为望远镜物镜焦距），则超声的波长：

kλkλL

A==

sinϕklk （2）

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2005级物理实验讲稿 孙文斌

图2 垂直入射光栅衍射花样几何关系

超声在液体中声速为：

2kλfL

ν=f⋅A=

∆lK （3）

式中∆lk为：同一种颜色对称条纹同一种颜色对称条纹（条纹（±k）间距。间距。

【实验步骤实验步骤】实验步骤

（1）.按分光仪的调整要求调好分光仪（狭缝应调至最小，实验过程中无需再调）。 （2）.打开低压汞灯作光源

（3）.将待测液体（蒸馏水、乙醇、酒精、甘油等）注入液体槽中，液面不要超过限。 （4）.将液体槽座卡在分光计的载物台上，用锁紧螺钉固定液体槽座和载物台。

（5）.将液体槽平稳地放在液体槽座中，转动载物台使液体槽两侧表面大致垂直于望远镜和平行光管。 （6）.将高频信号源与液体槽连接。

（7）.打开信号源，从望远镜的目镜中观察衍射条纹，仔细调节信号的频率，使电振荡频率与压电换能器的固有频率（11MHz左右）一致而发生共振，此时，衍射光谱的级数会显著增加且更为明亮。

（8）.再次转动载物台使平行光完全垂直于液体槽，同时观察衍射条纹左右级次亮度和对称性，直到从目镜中观察到稳定、清晰左右各2-3级的衍射条纹。

（9）.取下望远镜上的目镜，换上测微目镜，调焦此测微目镜，利用其测量各级位置读数（例如从-3、-2、-1、0、+1、+2、+3），计算各级对称条纹间距∆

数据记录：已知L=170mm 色 k 黄λ=578.0nm 绿λ=546.1nm 蓝λ=435.8nm -3 -2 -1 l

，求出速度V的平均值。

0 +1 +2 +3

【实验指导实验指导】实验指导

1． 液体槽置于载物台上必须稳定，实验过程中避免震动；导线分布电容对频率输出有微小影响，实验

中不要触碰信号连接线。

2． 共振频率一般在11MHZ左右。

3． 特别不要使频率长时间调在12MHZ以上，以免仪器振荡电路过热。 4． 提取液体槽两端面（非工作面），透光面要保持清洁。

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5． 光源尽量靠近狭缝，可提高条纹清晰度和级次。

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