實驗41-聲光衍射法測定液體中的聲速

大學(xué)物理實驗教案實驗名稱：聲光衍射法測定液體中的聲速1實驗?zāi)康?）了解聲光相互作用的原理，觀察聲光衍射的現(xiàn)象；2）培養(yǎng)學(xué)生運用計算機進行綜合物理實驗的能力；3）學(xué)會使用超聲光柵測量液體中的聲速。2實驗儀器半導(dǎo)體激光器、聲光衍射儀、科學(xué)工作室500型接口及軟件、旋轉(zhuǎn)移動傳感器、光傳感器、光具座、水槽、換能器、計算機3實驗原理及方法3.1實驗原理聲波在氣體、液體介質(zhì)中傳播時，作為一種縱向機械應(yīng)力波，它是以液體密度周期變化來進行傳播的，會引起介質(zhì)密度呈疏密交替的變化。當光通過這種介質(zhì)時，就相當于通過一個透射光柵，因而會發(fā)生衍射。這種現(xiàn)象稱為“聲光衍射”，而存在著聲波場的介質(zhì)則稱為“聲光柵”。當采用超聲波時，通常就稱為“超聲光柵”。Dnnn0Dnnn0xlsVs圖1-a圖1-b圖1超聲行波場中的介質(zhì)折射率分布超聲波在液體中傳播的方式可以是行波也可以是駐波。行波形成的超聲光柵，柵面在空間隨時間移動。圖1示出了超聲波行波在液體中傳播某一瞬間的情形。圖1-a表示存在超聲場時，液體內(nèi)呈現(xiàn)疏密相間的周期性密度分布，圖1-b為相應(yīng)的折射率分布。n0表示不存在超聲場時該液體的折射率。由圖可見，密度和折射率兩者都是周期性變化的，且具有相同的周期，相應(yīng)的波長正是超聲波的波長ls.。因為是行波，折射率的這種分布以聲速Vs向前推進并可表示為(1)式中Z為超聲波傳播方向上的坐標；ws為超聲波的角頻率；Ks=2p/ls為超聲波的波數(shù)，ls為波長。由（1）式可見折射率增量Dn(Z,t)按正弦規(guī)律變化。對于超聲駐波，可認為超聲光柵是固定于空間的。如果在超聲波前進方向上垂直地放置一個反射面，當調(diào)節(jié)它與波源間的距離使其為波長的整數(shù)倍，即l=K·l/2時，則可形成超聲駐波。設(shè)前進波和反射波的傳播方程分別為：（2（2）二者疊加，,得（3（3）（3）式說明疊加的結(jié)果產(chǎn)生了一個新的聲波：振幅為2Acos(2pZ/ls)，即在Z方向上各點振幅是不同的，呈周期性變化。波長為ls（即原來的聲波波長），它不隨時間變化；位相2pt/Ts是時間的函數(shù)，但不隨空間變化，這就是超聲駐波的特征。由于液體的折射率與密度直接有關(guān)，因此液體密度的周期變化，必然導(dǎo)致其折射率也呈周期性變化。計算表明，當在液體中形成超聲駐波時，相應(yīng)的折射率變化可表示為(4)上式中各符號意義如前，相應(yīng)的圖像表示在圖2中?？梢钥闯?，在不同時刻Dn(Z,t)是不同的，就是說對于空間任一點，折射率隨時間變化，變化的周期是Ts，并且對應(yīng)Z軸上某些點的折射率可達到極大值或極小值；對于同一時刻，Z軸上的折射率也呈周期性分布，其相應(yīng)的波長就是ls?？傊v波超聲光柵的光柵常數(shù)就是超聲波的波長ls。由圖2可見當t=0時，液體折射率n為常數(shù)，光束均勻照射屏幕。當t=Ts/4時，液體折射率n呈周期變化；當t=Ts/2時，光均勻照射屏幕；當t=3Ts/4時，折射率分布正好與t=Ts/2時錯開ls/2；當t=Ts時，開始第二個周期。由于T很短（微秒級），人眼不能分辯上述變化。0t=00t=0(t=Ts)Znn0nZt=Ts/4(t=Ts)lsn00 nZt=3TnZt=3Ts/4lsn00圖2超聲駐波場中的介質(zhì)折射率分布t=Ts/2Zn0n0由于液體有一定的厚度l，但當（式中l(wèi)l是入射光波長）時，可把它作為一個簡單的平面光柵來處理。本實驗滿足以上關(guān)系式，因此可作為平面光柵來處理。電聲換能器電聲換能器PZT聲光介質(zhì)d聲波反射壁ls2、衍射距離L和超聲波頻率f的不確定度分別為：3、超聲波聲速V的測量最佳值和不確定度分別為：5.13、室溫時超聲波在水中的傳播速度V的測量結(jié)果為：（P=0.683）9實驗結(jié)果檢查方法衍射圖樣佳，衍射條紋間距合理，數(shù)據(jù)記錄規(guī)范、完整10課堂實驗預(yù)習(xí)檢查題目1）超聲在液體中形成超聲駐波必須滿足什么條件？2）超聲駐波形成的超聲光柵的光柵常數(shù)為多少？3）PZ