声先效应：一、利用超声先栅测定液体中的声速.docVIP

实验八 超声光栅测液体中的声速 【预习重点】 1．声光效应的原理，利用声光效应测定液体中的声速的方法。 2．测微目镜的使用方法。 【实验目的】 了解声光效应的原理； 掌握利用声光效应测定液体中声速的方法。 【学史背景】 1922年布里渊（L·Brillouin）曾预言，当高频声波在液体在传播时，如果有可见光通过该液体，可见光将产生衍射效应。这一预言在10年后被验证，这一现象被称作声光效应。1935年，拉曼（Raman）和奈斯（Nath）对这一效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声光栅。 【实验原理】 压电陶瓷片（PZT）在高频信号源（频率约10MHz）所产生的的交变电场的作用下，发生周期性的压缩和伸长振动，其在液体中的传播就形成超声波，当一束平面超声波在液体中传播时，其声压使液体分子作周期性变化，液体的局部就会产生周期性的膨胀与压缩，这使得液体的密度在波传播方向上形成周期性分布，促使液体的折射率也做同样分布，形成了所谓疏密波，这种疏密波所形成的密度分布层次结构，就是超声场的图象，此时若有平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时，平行光会被衍射。以上超声场在液体中形成的密度分布层次结构是以行波运动的，为了使实验条件易实现，衍射现象易于稳定观察，实验中是在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察，由于驻波振幅可以达到行波振幅的两倍，这样就加剧了液体疏密变化的程度。驻波形成以后，某一时刻t，驻波某一节点两边的质点涌向该节点，使该节点附近成为质点密集区，在半个周期以后，t+T/2，这个节点两边的质点又向左右扩散，使该波节附近成为质点稀疏区，而相邻的两波节附近成为质点密集区。 图1 为在t和t+T/2（T为超声振动周期）两时刻振幅y、液体疏密分布和折射率n的变化分析。由图1可见，超声光栅的性质是，在某一时刻t，相邻两个密集区域的距离为，为液体中传播的行波的波长，而在半个周期以后，t+T/2。所有这样区域的位置整个漂移了一个距离/2，而在其它时刻，波的现象则完全消失，液体的密度处于均匀状态。超声场形成的层次结构消失，在视觉上是观察不到的，当光 图1 线通过超声场时，观察驻波场的结果是，波节为暗条纹（不透光），波腹为亮条纹（透光）。明暗条纹的间距为声波波长的一半，即为λ/2。由此我们对由超声场的层次结构所形成的超声光栅性质有了了解。当平行光通过超声光栅时，光线衍射的主极大位置由光栅方程决定。 （k=0，1，2，……） （1） 光路图如图2 图2 实际上由于角很小，可以认为： （2） 其中为衍射零级光谱线至第k级光谱线的距离，f为L2透镜的焦距，所以超声波的波长 （3） 超声波在液体中的传播速度： （4） 式中为信号源的振动频率。 【实验仪器】 超声光栅实验仪（数字显示高频功率信号源，内装压电陶瓷片PZT的液槽）、分光计、汞灯、测微目镜、液体（酒精、蒸馏水） 【实验内容】 1．用自准法调分光计的望远镜对平行光（即无限远）聚焦，成像在分划板上。 （1）先目测，调节载物台，望远镜筒，平行光管都初步达到共轴、水平状态，为进一步细调打下基础。 （2）将平面镜放在载物台上，并与望远镜光轴目测垂直，点亮分光计的小灯，转动目镜，先看清晰分划板上的叉丝，再伸缩目镜筒，使十字窗的像十分清晰，并且用视差法检查（上下左右移动眼睛，像与十字叉丝无相对位移），使十字窗及其反射像与分划板叉丝无视差。由自准直原理可知，望远镜已调焦至无限远。 调整分光计平行光管出射平行光，且与望远镜共轴。 取下平面镜，关闭望远镜照明灯，用已调好的望远镜来调节平行光管，步骤如下：从侧面和俯视两个方向把平行光管和望远镜调到大致共轴，点亮汞灯，照亮分光计狭缝，从望远镜筒中观察，同时伸缩狭缝筒，直到看到清晰的狭缝像，且与叉丝线无视差，这样平行光管出射为平行光。然后调节狭缝宽为1mm 以内，转动狭缝为水平状态，调节望远镜筒或平行光管的仰俯，使狭缝的像与分划板上的中心叉丝线的水平线重合，这样平行光管的光轴就与望远镜筒的中心轴水平方向重合，然后将狭缝转90°为竖直状态，转动望远镜筒，使竖狭缝像与竖叉丝线重合，并锁定该位置，此时调平行光管与望远镜筒共轴完成。 3.液槽内充好液体后，连接好液槽上的压电陶瓷片与高频功率信号源上的连线，将液槽放置到分光计的载物台上，且使光路