用超聲光柵測(cè)液體中的聲速PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1用超聲光柵測(cè)液體中的聲速用超聲光柵測(cè)液體中的聲速第1頁(yè)/共12頁(yè)ssmxTtAy2cos第2頁(yè)/共12頁(yè)反射板反射板圖1超聲駐波形成示意圖第3頁(yè)/共12頁(yè) 如果超聲波被液槽的一個(gè)垂直于x軸的平面反射，又會(huì)反向傳播，當(dāng)反射平面距波源為波長(zhǎng)四分之一的奇數(shù)倍時(shí)，入射波與反射波分別為兩者疊加得ssmxTtAy2cos1ssmxTtAy2cos2ssmTtxAyyy2cos2cos221第4頁(yè)/共12頁(yè)該式說明疊加的結(jié)果形成了駐波：沿x方向各點(diǎn)的振幅為 ，是x的函數(shù)，隨x呈周期性的變化（波長(zhǎng)s），但不隨時(shí)間變化，位相是時(shí)間的函數(shù)，但不隨空間變化。某時(shí)刻，縱駐波的任一波節(jié)兩邊的質(zhì)點(diǎn)都涌向這個(gè)節(jié)點(diǎn)，

2、使該節(jié)點(diǎn)附近成為質(zhì)點(diǎn)密集區(qū)，而相鄰的波節(jié)處為質(zhì)點(diǎn)稀疏區(qū)，半個(gè)周期后，這個(gè)節(jié)點(diǎn)附近的質(zhì)點(diǎn)又向兩邊散開變?yōu)橄∈鑵^(qū)，相鄰波節(jié)處變?yōu)槊芗瘏^(qū)。由于駐波的振幅可以達(dá)到單一行波的二倍，加劇了波源和反射面之間液體的疏密變化程度。液槽內(nèi)距離等于波長(zhǎng)s的任何兩點(diǎn)處，液體的密度相同，折射率也相同。因此，有超聲波傳播的液體相當(dāng)于一個(gè)位相光柵，稱為“超聲光柵”。 smxA2cos2第5頁(yè)/共12頁(yè)3利用超聲光柵衍射測(cè)量液體中的聲速 當(dāng)平行光沿著垂直于超聲波傳播方向通過液體時(shí)，由于光速遠(yuǎn)大于液體的聲速，可以認(rèn)為光波的一波陣面通過液體的過程中液體中的疏密及其折射率的周期變化情況沒有明顯改變，相對(duì)穩(wěn)定。這時(shí)，因折射率的周期變

3、化將使光波通過液體后在原先的波陣面上產(chǎn)生了相應(yīng)的周期變化的位相差，（在光柵測(cè)波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中，是由于平行光通過光柵后產(chǎn)生了光程差）。在某特定方向上出射光會(huì)相干加強(qiáng)，產(chǎn)生衍射，經(jīng)過透鏡聚焦，即可在焦平面上觀察到衍射條紋。當(dāng)液槽中傳播的超聲波被液槽的一個(gè)玻璃面反射，在一定條件下形成超聲頻率的縱向振動(dòng)駐波時(shí)，可加劇液體的疏密變化程度，使衍射現(xiàn)象加強(qiáng)。超聲波波長(zhǎng)s即相當(dāng)于光柵常數(shù)，根據(jù)光柵方程可得第6頁(yè)/共12頁(yè)SL1L2PZTdkf圖2 測(cè)液體中的聲速實(shí)驗(yàn)裝置示意圖第7頁(yè)/共12頁(yè)ssink=k （k=0，1，2，）式中k為k級(jí)衍射光的衍射角，為光波波長(zhǎng)。當(dāng)k角很 小時(shí)，可近似有 sink=dk/f其中d

4、k為衍射光譜上零級(jí)至k級(jí)的距離，f為透鏡L2的焦距，而且各級(jí)衍射線是等間距分布的。 則超聲波波長(zhǎng)為kksdfkksin液槽中傳播的超聲波的頻率fs可由超聲光柵儀上的頻率計(jì)讀出，則超聲波在液體中傳播的速度為 由此利用超聲波光柵衍射可以測(cè)量液體中的聲速。v =S fS 第8頁(yè)/共12頁(yè)實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟1、激光從狹縫出射，調(diào)整透鏡的位置，使屏上成一個(gè)清晰的狹縫的像。2、將酒精倒入超聲腔內(nèi), 用導(dǎo)線連接壓電陶瓷晶片與信號(hào)源，開啟信號(hào)源，調(diào)到合適的頻率范圍（10MHZ檔）。3、開啟超聲信號(hào)源電源，給壓電陶瓷PZT上加震蕩電壓，從測(cè)微目鏡觀察衍射條紋，調(diào)節(jié)頻率微調(diào)，使電振蕩頻率與鋯酞酸鉛陶瓷片固有頻率共振，（選用的壓電陶瓷共振頻率在3MHz左右），這時(shí)可從目鏡中觀察到穩(wěn)定而清晰的左右各三級(jí)左右的衍射譜線。4、用測(cè)微目鏡測(cè)量各級(jí)衍射條紋的位置（左右各三級(jí)），利用逐差法求出譜線平均間距d。5、記錄超聲波頻率。 6、記錄液體溫度（粗