声光衍射法测定液体中的声速实验指导书1实验原理在弹性介质产生的声波的传播是一种纵向机械应力波，引起介质密度周期性变化，即引起介质密度呈疏密交替的变化向前传播的。当这种机械波在传播中受到在一定限制时一即有一反射壁时，该波会反射。反射的波和行进的波相遇，在条件合适情况下可以产生驻波。而驻波会使得在其中的各处的介质呈周期性震荡，不同点震荡的振幅不同。有些介质振荡振幅为零，此处介质密度相对较大；而有些介质振荡振幅最大，此处介质密度相对较小。密度大，则折射率大，光不容易通过；密度小，则折射率小，光易通过。这时在这一介质中形成的驻波在宏观上、功能上来看具有光栅的作用。4→SVs21+2图1-b图1超声行波场中的介质折射率分布本实验就是利用这一原理，利用水可以传递声波而设计的。在一装满水的玻璃容器中产生一超声波，而这一超声在介质中传播形成纵波，当该波行进到容器的另一壁时会发生反射；反射波与原行进波相遇而叠加、干涉产生驻波。若光通过这种介质时，就相当于通过一个透射光栅，因而会发生衍射。这种现象称为“声光衍射”，而存在着驻波的声波场的介质则称为“声光栅”，或“水声光栅”。若声波采用超声波时，也称其为“超声光栅”，如图1所示。理论上计算表明，当在液体中形成超声驻波时，相应的折射率变化可表示为(1)n(Z,t) = ng +An cos(K,x) sin(o,t)
声光衍射法测定液体中的声速实验指导书 1 实验原理 在弹性介质产生的声波的传播是一种纵向机械应力波，引起介质密度周期性变 化，即引起介质密度呈疏密交替的变化向前传播的。当这种机械波在传播中受到在 一定限制时—即有一反射壁时，该波会反射。反射的波和行进的波相遇，在条件合 适情况下可以产生驻波。而驻波会使得在其中的各处的介质呈周期性震荡，不同点 震荡的振幅不同。有些介质振荡振幅为零，此处介质密度相对较大；而有些介质振 荡振幅最大，此处介质密度相对较小。密度大，则折射率大，光不容易通过；密度 小，则折射率小，光易通过。这时在这一介质中形成的驻波在宏观上、功能上来看 具有光栅的作用。 本实验就是利用这一原理，利用水可以传递声波而设计的。在一装满水的玻璃容 器中产生一超声波，而这一超声在介质中传播形成纵波，当该波行进到容器的另一 壁时会发生反射；反射波与原行进波相遇而叠加、干涉产生驻波。若光通过这种介 质时，就相当于通过一个透射光栅，因而会发生衍射。这种现象称为“声光衍 射”，而存在着驻波的声波场的介质则称为“声光栅”，或“水声光栅”。若声波 采用超声波时，也称其为“超声光栅”，如图1所示。 理论上计算表明，当在液体中形成超声驻波时，相应的折射率变化可表示为 (1)
声波反射壁3入射光入液体衍射光电声换能器doPZT图2声光衍射示意图n是介质的折射率，no是无任何干扰时的介质折射率，△n是折射率最大的变化量。从公式中可以看出乙轴上的折射率呈周期性分布，折射率的大小与位置有关，在某些地方折射率最大为no+△n，而在另一些地方折射率最小为no-△n。折射率小处光易通过，折射率大处光不易通过。由于驻波对水的折射率的影响，使得水的不同部分透光率不同，而且透光位置与不透光的位置是等间距的变化一即规则变化，在光照射下具有光栅的功能，如图1所示。从波动理论研究可知，相邻透光的间距是水中声波的波长入s，所以驻波超声光栅的光栅常数就是超声波的波长入s。从光学知识可知，当一束光垂直入射在超声光栅上时，出射光即为衍射光，如图2所示。图2中声光作用长度为d。可证明超声光栅与常规的光栅一样，形成各级衍射的条件是(2)入,sin=±k入p（k=0，±1，±2，&pax14;&pax14;）k为衍射级数，e为第k级衍射的衍射角，入为入射光波长，2s为超声波波长。其衍射光强分布如图3所示，L为光栅到光屏的距离，Dk是同一级明条纹之间的距离。若入射光的波长入。已知，依（2）式只要能知道sinok，就可计算出超声波波长2s。当L>>Dk，就有sinok&pαouo；tgok=D/2L，根据图3衍射光强分布图可测得+k级到-k级条纹之间距离Dk，。所以在测得光栅到衍
n是介质的折射率，n 是无任何干扰时的介质折射率，△n是折射率最大的变化 量。从公式中可以看出Z轴上的折射率呈周期性分布，折射率的大小与位置有关，在 某些地方折射率最大为n +△n，而在另一些地方折射率最小为n -△n。折射率小处 光易通过，折射率大处光不易通过。由于驻波对水的折射率的影响，使得水的不同 部分透光率不同，而且透光位置与不透光的位置是等间距的变化—即规则变化，在 光照射下具有光栅的功能，如图1所示。从波动理论研究可知，相邻透光的间距是水 中声波的波长l ，所以驻波超声光栅的光栅常数就是超声波的波长l 。 从光学知识可知，当一束光垂直入射在超声光栅上时，出射光即为衍射光，如图 2所示。图2中声光作用长度为d。可证明超声光栅与常规的光栅一样，形成各级衍 射的条件是 λ sin =±kλ （k=0，±1，±2， ） （2） k为衍射级数，q 为第k级衍射的衍射角，λ 为入射光波长，l 为超声波波长。其 衍射光强分布如图3所示，L为光栅到光屏的距离，D 是同一级明条纹之间的距离。 若入射光的波长λ 已知，依（2）式只要能知道sinq ，就可计算出超声波波长 l 。当L>>D ，就有sinq » tgq = D /2L，根据图3衍射光强分布图可测得+k 级到-k级条纹之间距离D ，。所以在测得光栅到衍 0 0 0 s s s p ¼¼ k p s k p k s k k k k k
|超声光栅L1-1图3衍射光强分布射屏的距离L及超声波的频率f后，即可算出超声波在该液体中的传播速度为：2kAfV=入,f=(k=0,1,2,3，;入=650nm)(3)Dk2实验仪器2.1仪器清单半导体激光器(。=650nm)、水槽、电声换能器、SLD-2声光衍射仪、500型科学工作室接口、CI6538旋转移动传感器、光具座、CI6504A型光传感器、计算机。图4传感器通光口和增益装置
射屏的距离L及超声波的频率f后，即可算出超声波在该液体中的传播速度为： V = λ f = （k=0，1，2，3， ；l=650nm） (3） 2 实验仪器 2.1 仪器清单 半导体激光器 (λ = 650nm)、水槽、电声换能器、SLD-2声光衍射仪、 500型科学工作室接口、CI6538旋转移动传感器、光具座、CI6504A型光传 感器、计算机。 s . p
2.2仪器功能介绍半导体激光器：发射激光的装置；电声换能器：超声波的波源：水槽：产生超声驻波的装置，即产生水声光栅的装置；SLD-2声光衍射仪：频率发生器；500型科学工作室接口：架起传感器与计算机之间的桥梁，将模拟信号AD转化，存储、信号传输等功能。CI6504A型光传感器：将光信号转化为电压信号的装置，由光圈调节装置及增益装置组成，如图4所示：i.光圈调节装置：由6个宽度不同的通光口（称作光阑）构成，如图4上图所示，分别标有1、2、3·6等，用来调节进入光传感器的光通亮；序号越大，光阑越宽，通光量越大：反之越小。本实验建议选择1号光阑。ii．增益装置：增益装置是将光阑采集的光信号放大的装置，如图4下图所示。该装置设计为1、10、100三个档位。选择“1”档时，输入计算机的光强不变；选择“100”档时，将光信号放大100倍。所以该光传感器可用来测量微弱光信号。iii.光传感器的使用：光阑天小及增益开关的选择，是根据计算机显示的图样来确定的。一般来讲若图片上显示光强太小，不易测量，则首先调整光阑，从1号分别调整2、3、………·6号，不断地去尝试，直至达到显示器构图满意的光强。若调整到最大光阑-6号光阑，在显示屏上仍然不能明显测出光强时，此时将光阑调到最小1号，拨大增益开关，如从1档拨到10档；观察图形，是否合适，还嫌小，接着调整光阑大小，直至得到满意的图形。本实验建议增益开关为1档
2.2 仪器功能介绍 半导体激光器：发射激光的装置； 电声换能器：超声波的波源； 水槽：产生超声驻波的装置，即产生水声光栅的装置； SLD-2声光衍射仪：频率发生器； 500型科学工作室接口：架起传感器与计算机之间的桥梁，将模拟信号AD转 化，存储、信号传输等功能。 CI6504A型光传感器：将光信号转化为电压信号的装置，由光圈调节装置及 增益装置组成，如图4所示： i. 光圈调节装置：由6个宽度不同的通光口（称作光阑）构成，如图4上图 所示，分别标有1、2、3 . 6等，用来调节进入光传感器的光通亮；序 号越大，光阑越宽，通光量越大；反之越小。本实验建议选择1号光阑。 ii. 增益装置：增益装置是将光阑采集的光信号放大的装置，如图4下图所 示。该装置设计为1、10、100三个档位。选择“1”档时，输入计算机的 光强不变；选择“100”档时，将光信号放大100倍。所以该光传感器可用 来测量微弱光信号。 iii. 光传感器的使用：光阑大小及增益开关的选择，是根据计算机显示的图 样来确定的。一般来讲若图片上显示光强太小，不易测量，则首先调整光 阑，从1号分别调整2、3、.6号，不断地去尝试，直至达到显示器构图 满意的光强。若调整到最大光阑-6号光阑，在显示屏上仍然不能明显测出 光强时，此时将光阑调到最小1号，拨大增益开关，如从1档拨到10档；观 察图形，是否合适，还嫌小，接着调整光阑大小，直至得到满意的图形。 本实验建议增益开关为1档
iv.光强分布图的采集的标准：采集的衍射光强图样的零级主峰不出现削峰（平峰），光强分布曲线呈现2级以上的光强图，光强分布曲线均匀对称。3内容和要求3.1实验内容3.1.1仪器的正确调节与使用。3.1.2观察声光衍射现象及记录声光衍射光强度分布曲线3.1.3测量并记录实验中的相关数据。3.1.4正确撰写相关实验报告。3.2季教学要求3.2.1了解声光相互作用原理，观察声光衍射现象。3.2.2理解超声光栅形成过程、掌握超声波在水中传播速度的测量方法。3.2.3用Pasco测量±2级以上明纹间距离Dk至少8次，单次测量光栅及光屏的位置X1、X2，记录超声波频率f。3.2.4利用相关公式计算超声波在该液体中的传播速度及不确定度。4操作指导4.1仪器粗调4.1.1检查电路是否连接好；4.1.2观察水槽中的水位，须没过电声换能器5mm左右；4.1.3仪器位置：开启激光发射器及水槽下方磁性表座开关，调整各仪器位置满足实验要求：水槽离光屏远一些（为什么？）；
iv. 光强分布图的采集的标准：采集的衍射光强图样的零级主峰不出现削峰 （平峰），光强分布曲线呈现2级以上的光强图，光强分布曲线均匀对 称。 3 内容和要求 3.1 实验内容 3.1.1 仪器的正确调节与使用。 3.1.2 观察声光衍射现象及记录声光衍射光强度分布曲线。 3.1.3 测量并记录实验中的相关数据。 3.1.4 正确撰写相关实验报告。 3.2 教学要求 3.2.1 了解声光相互作用原理，观察声光衍射现象。 3.2.2 理解超声光栅形成过程、掌握超声波在水中传播速度的测量方法。 3.2.3 用Pasco测量±2级以上明纹间距离D 至少8次，单次测量光栅及光屏 的位置X 、X ,记录超声波频率f。 3.2.4 利用相关公式计算超声波在该液体中的传播速度及不确定度。 4 操作指导 4.1 仪器粗调 4.1.1 检查电路是否连接好； 4.1.2 观察水槽中的水位，须没过电声换能器5mm左右； 4.1.3 仪器位置：开启激光发射器及水槽下方磁性表座开关，调整各仪器位 置满足实验要求：水槽离光屏远一些（为什么？）； k 1 2