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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 超声光栅 试验报告一、试验目的与试验仪器1.试验目的1明白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；2.试验仪器 GSG1 型超声光栅声速仪、超声发生器工作频率 913MHz 、换能器、液槽、JJY-f = 168mm、测微目镜 测微范畴 8mm、放大镜、 待测液及光源 钠 1 型分光仪 物镜焦距 灯或汞灯等；二、试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,此时间通过这种介质,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亮介质称为超声光栅；利用超声光栅可以运算超声波在透亮介质
2、中的速度；设超声波在液体中以平面波形式沿x 方向,在 x 方向液体中波的形式如下：. .y1 = A mcos2 .-.式中, y1 为偏离平稳位置的位移量；Am 为振幅, Ts 为超声波周期, s为超声波波长；假设在垂直 x 方向有一反射平面,就超声波被平面反射后沿 x 反方向传播,有如下方程：.y2 = A mcos2 .+.当正反两方向的平面波叠加形成驻波时,平稳位置的偏移量为. .y = y 1+y2 = 2A mcos2 .cos2 .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,这样液体折射率就显现周期性变化,平行光沿着与超声波传播方向呈肯定夹角的
3、方向通过时 会被衍射；由光栅方程可知：Asin k = k 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：名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在右侧望远镜中可观看到衍射条纹；从上图中几何关系可知：tan k = .当 k 很小时,有式中, lk 为零级衍射到sin k = . .k 级衍射之间的距离,f 为透镜焦距,就超声波波长为A = .sin.= . .超声波在液体中传播速度为.v = A = . . . = .式中, 是换能器共振频率,三、试验步骤 . .为同一波长光相邻衍射级别衍射条纹
4、间距；1分光计的调整：用自准直法使望远镜聚焦于无穷远,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,调剂望远镜使观看到的狭缝清楚；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将超声池放置于分光计的载物台上,的光轴；使超声池两侧外表基本垂直于望远镜和平行光管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,从阿贝目镜观看衍射条纹,微小调剂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光明,认真调剂,可观看到左 右各 34 级以上的衍射光谱
5、；6取下阿贝目镜,换上测微目镜,调焦目镜,使清楚观看到的衍射条纹；利用测微目镜 逐级测量其位置读数并记录；四、数据处理1.数据记录名师归纳总结 条纹位置度数单位：mm 第 2 页,共 5 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 光色级次-3-2-10123蓝绿=02黄换能器共振频率：2.逐差法求条纹间距蓝光： . .1= 4.270-1.878 + 4.836-2.480 + 5.536-3.105=mm4 3绿光： . .2= 4.459-1.405 + 5.205-2.167 + 5.962-2.945=mm4 3黄光： . .3= 4.535-1.2
6、82 + 5.326-2.070 + 6.143-2.880=mm4 33.运算超声波在酒精中速度利用蓝光运算： v1 =.1. . .1= 435.8 10-9 168 10-3 9.579 10=m/s= 1157.8m/s=m/s= 1157.8m/s0.598 10-3利用绿光运算： v2 =.2. = . .2546.1 10-9 168 10-3 9.579 100.759 10-3利用黄光运算： v3 =.3. = . .3578.0 10-9 168 10-3 9.579 100.814 10-3就超声波在酒精中声速：v = v 1+v 2+v 3=1172.8+1157.8+
7、1142.7334.声速 v 不确定度 Uv1频率不确定度：. = 仪 =mm 平均值 .2 . .不确定度相邻条纹间距单位：光色级次差. 1- . 2- . 3- .444蓝绿黄名师归纳总结 2 蓝光： s X . .1 =3.=1 .-.2= 5.8625 10-5mm2mm第 3 页,共 5 页2U . .1 =. 2. . 2 + 仪= 2.52 5.8625 10-5+ 0.00422 绿光： s X . .2 =3.=1 .-.2=10-5mm2mm2U . .2 =. 2. . 2 + 仪 2= 2.52 5.4347 10-5+ 0.00422 黄光： s X . .3 =3.
8、=1 .-.2= 1.1 10-6mm22U . .3 =. 2. . 2 + 仪= 2.52 1.1 10-6+ 0.0042mm3声速 v 的不确定度U v- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - Uv1= v1.ln Uv1 . . .1 2. .+ .ln Uv1 . 2. 2 = v11 . .12. .+ 1 . 2.Uv2= 0.598 2 0.0196 2 + 9.579 2 0.022= m/s1 . 2.= v2.ln Uv2 . . .2 2. .+ .ln Uv2 . 2. 2 = v21 . .22. .+ = 0.7592 0.01
9、89 2 + 9.579 2 0.022 = m/sUv3= v3.ln Uv3 . . .3 2. .+ .ln Uv3 . 2. 2 = v31 . .32. .+ 1 . 2.= 0.814 2 0.00478 2 + 9.579 2 0.022 = m/sUv = 1 3 . 2 + .v2 2 + .v3= 3 38.52 + 28.92 + 7.22=m/s5.就超声波在酒精中传播速率v = m/s五、分析争论提示：分析争论不少于 400 字1本次试验数据使用逐差法减小了试验误差；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
10、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成效；2试验中,假设只调出1 级衍射谱线,就不能利用逐差法,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：调剂频率调剂旋钮,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光明；本次试验共振频率大致在 11MHz 左右；为使平行光束垂直于超声束传播方向,级次谱线亮度一样；可微调载物台, 使观看到的衍射光谱左右对称,试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,有时会使成效更好；3在超声光栅测声速试验中,当找到谱线后,有时发觉两侧光谱的谱线级次不一样,可 微调载
11、物台,使观看到的衍射光谱左右对称,级次谱线亮度一样；4假如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 斜入射到光栅上,就光栅方程为 dsin +sin = k k=0 , 1, 2, ,在运算时假如遗忘考虑 ,会使结果显现偏差；为了排除上述误差,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, 从望远镜中观看光栅平面反射回来的绿色十字像,调剂载物台的水平调剂螺钉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试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光明,这是由于,假如频率与共振频率相差较大时,虽然已经形成
12、光栅,但是仍可能不够明显,对光的衍射较柔弱,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、试验结论1本次试验运算的超声波在酒精中传播速率v = m/s,与 20时超声波在乙醇中传播名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 速率 1180m/s 相对误差 =|1157.8-1180| 100% =%.11802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运算出单色光的入射光波长；3光栅衍射的试验证明白光具有波动性；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名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 5 页