五邑大学超声光栅测定声速实验-绝对零度

近代物理实验实验08超声光栅测定声速1/7实验08超声光栅测定声速本实验隶属声光效应实验范畴，在光路中放置一产生声波振动的媒介实现对透过光的调制，而且调制效果可以与声信号存在可计算的联络，让学生了解如何对光信号进行调制，以及实现这一过程的手段，同时也为测量液体（非电解质溶液）中的声速提供另一种思路和方法，而采用超声光栅技术测量液体中的声速，具有设备简单、操作方便、精确度高等优点，因此有必要掌握超声光栅调整方法和测量技术。【实验目的】1.了解超声光栅产生的原理。2.了解声波如何对光信号进行调制。3.通过对液体（非电解质溶液）中的声速的测定，加深对其概念的理解。【仪器用具】'1JJY型分光计、汞灯及电源、平面反射镜、IWSG型超声光栅声速仪【实验原理】光波在介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应）。超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性的变化，形成疏密波，从而使原来具有均匀折射率的透明液体变为具有折射率周期变化的透明液体。此时，如有平行单色光沿垂直于超声波传播方向通过这疏密相同的液体时，就像通过普通刻线光栅一样产生衍射现象，我们把这种经超声波调制作用，使它变为具有折射率周期变化的透明液体称为“超声光栅”。其光栅常数就是超声波在液体中传播的波长A。超声波传播时，前进波被一个垂直于波行进方向的平面反射后，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间液体的疏密变化程度。某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点有向两边散开变为稀疏区，相临波节处变为密集区。在这些驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。在距离等于波长A的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图1所示。单色平行光λ沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波（宽度为l），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。图中行波的波长A相当于光栅常数。由超声波在液体中产生的光栅作用类似于普通光栅，因此，将这种载有超声的透明介质称为超声光栅。若入射光是包含有几种不同波长的复色光，则经超声光栅衍射后，不同波长的同一级次的光谱，按一定次序排列，形成不同颜色的衍射光谱线。近代物理实验实验08超声光栅测定声速2/7y疏密反射板ytnn0nmaxnminnmax反射板nn0nminnmaxnmin密疏密疏密密疏疏t+T/2图1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的变化图当满足声光喇曼－奈斯衍射条件：1/22At时，这种衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程（式中k为衍射级次，k为零级与k级间夹角）：kAksin（1）在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的会聚透镜（1L）与可调狭缝S组成平行光系统，如图2所示。fkSL1L2PZTφ图2IWSG超声光栅仪衍射光路图让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜（2L）和测微目镜组成测微望远系统。若振荡器使PZT晶片发生超声振动，形成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。从图2中可以看出：flkkkkcossintan（2）当k很小时，我们知道1cosk，所以有：flkksin（3）其中kl为衍射光谱零级至k级的距离；f为透镜的焦距。所以超声波波长：kklfkksin（4）超声波在液体中的传播的速度：近代物理实验实验08超声光栅测定声速3/7klfA（5）式中的是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，kl为同一颜色光衍射条纹间距，因为同一色光的衍射条纹是等间距的，所以kllkk。【仪器介绍】1.'1JJY型分光计的构造见教材《大学物理实验》实验15分光计的调节与应用。2.超声池在分光计上的放置位置172345689图3超声池在分光计上的放置位置图3液体放置示意图（其中2、3、4、7为分光计配置），1为单色光源（汞），2为分光计狭缝，3为分光计平行光管，4为分光计载物台，5为液体槽盖上的接线柱，6为液体槽及超声片，7为分光计望远镜，8、9为测微目镜。接线柱接出信号线接至电源箱的输出端，由电源箱提供高频信号。3.IWSG型超声光栅声速仪仪器由超声信号源、超声池、高频信号连接线、测微目镜等组成，并配置了具有11MHz左右共振频率的锆钛酸铅陶瓷片。WSG-I超声光栅声速仪1MHZ2图4超声信号源前面板示意图图4超声信号源前面板示意图，1是电源开关，2是频率微调钮，3是正常工作指示灯，4是保护状态指示灯，5是高频信号输出端（无正负极区别），6是频率显示窗。近代物理实验实验08超声光栅测定声速4/7图5超声信号源后面板及定时选择开关示意图图5超声信号源后面板及定时选择开关示意图，1是定时选择开关，2是电源插座。【实验内容与要求】1．分光计（调整方法可参阅教材《大学物理实验》实验15分光计的调节与应用），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，观察望远镜的光轴与载物台的台面平行。目镜调焦使看清分划板刻线，并以平行光管出射的平行光为准，调节望远镜使观察到的狭缝清晰，狭缝应调至最小，实验过程中无需调节。2．采用低压汞灯作光源，汞灯光为复色光，实验中可观察到黄、绿、蓝等衍射条纹。3．将待测液体（如蒸馏水、乙醇或其他液体）注入液体槽内（液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准）。4．将液体槽座卡在分光计载物台上，液体槽座的半圆缺口对准并卡住载物台侧面的锁紧螺钉（先松开螺钉），放置平衡，并用锁紧螺钉锁紧。5．将此液体槽（可称其为超声池）平稳地放置在液体槽座中，放置时，转动载物台使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴（调整方法与使平面反射镜调整的相同）。6．两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板上的接线柱，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。7．开启超声信号源电源前，先选择定时时间。定时时间可选四档，分别为60分钟，90分钟，120分钟及不选定时，分别是：拨定时选择开关1号键向右边时，定时关闭，即不选定时；拨定时选择开关1号键向左边，2号键向左边时，定时选定为60′；拨定时选择开关1号键向左边，2号键向右边，3号键向左边时，定时选定为90′；拨定时选择开关1号键向左边，2、3号键向右边，4号键向左边时，定时选定为120′。8．开启超声信号源电源，频率显示窗首先会显示被选定时的时间数，数秒后显示当时的震荡频率。被选时间到达前一分钟，超时报警灯开始连续闪烁，然后仪器自动停止工作，进入10分钟倒计时关机保护，此时保护状态指示灯亮；保护状态结束后，仪器将自动开机，并进入正常工作状态。9．从阿贝目镜观察衍射条纹，仔细调节频率微调钮（2），使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明亮。10．如此前分光计已调整到位，左右转动超声池（可转动分光计载物台或游标盘，细微转动时，可通过调节望远镜水平方向调节螺钉15实现），能使射于超声池的平行光束完全垂直于超声波，同时观察视场内的衍射光谱左右级次亮度及对称性，直到从目镜中观察到稳定近代物理实验实验08超声光栅测定声速5/7而清晰的左右各3－4级的衍射条纹为止。11．按上述步骤仔细调节，可观察到左右各3－4级或以上的衍射光谱。12．取下阿贝目镜，换上测微目镜，接筒在出厂时已装在测微目镜上，调焦目镜，使清晰观察到的衍射条纹。利用测微目镜逐级测量其位置读数（例如：从－2、···、0、···、＋2），再用逐差法求出条纹间距的平均值。13．声速计算公式为公式5，式中：－光波波长；－共振时频率计的读数；f－望远镜物镜焦距（仪器数据）；kl－同一种颜色光的衍射条纹间距。【数据表格】在公式5中：f为透镜2L的焦距=170mm；汞灯波长（其不确定度忽略不计）分别为：汞蓝光435.8nm，汞绿光546.1nm，汞黄光578.0nm（双黄线平均波长）。＜样品1＞纯净水测微目镜中衍射条纹位置读数,小数点后第三位为估数值：（mm）表1-1级色-2-1012黄绿蓝用逐差法计算各色光衍射条纹平均间距及标准差：表1-2光色衍射条纹平均间距X±бx声速黄绿蓝将三种不同的波长测量的声速平均得：c＝m/s手册值：1482.9m/s（H2O20℃）实验温度：温度系数修正后的声速：t＝m/s误差：＜样品2＞95%分析乙醇测微目镜中衍射条纹位置读数：（mm）表1-3级色-2-1012黄绿蓝用逐差法计算各色光衍射条纹平均间距及标准差：近代物理实验实验08超声光栅测定声速6/7表1-4光色衍射条纹平均间距X±бx声速黄绿蓝将三种不同的波长测量的声速平均得：c＝m/s手册值：1168m/s（C2H5OH20℃）实验温度：温度系数修正后的声速：t＝m/s误差：【注意事项】1．超声池置于载物台上必须稳定，在实验过程中应避免震动，以使超声在液槽内形成稳定的驻波。导线分布电容的变化会对输出电频率有微小影响，因此不能触碰连接超声池和高频信号源的两条导线；2．锆钛酸铅陶瓷片表面与对应面的玻璃槽壁表面必须平行，此时才会形成较好的表面驻波，因此实验时应将超声池的上盖盖平，而上盖与玻璃槽留有较小的空隙，实验时微微扭动一下上盖，有时也会使衍射效果有所改善；3．一般共振频率在11.3MHz左右，WSG-I超声光栅仪给出10－12MHz可调范围。在稳定共振时，数字频率计显示的频率值应是稳定的，最多只有最末尾有1－2个单位数的变动；4．实验时间不宜过长，其一，声波在液体中的传播与液体温度有关，时间过长，温度可能在小范围内有变动，从而回影响测量精度，一般测量可以待测液体温度同于室温，精密测量可在超声池内插入温度计测量；其二，频率计长时间处于工作状态，会对其性能有一定影响，尤其在高频条件下有可能会使电路过热而损坏，实验时，特别注意不要使频率长时间调在12MHz以上，以免振荡线路过热；5．提取液槽应拿两端面，不要触摸两侧表面通光部位，以免污染，如已有污染，可用酒精乙醚清洗干净，或用镜头纸擦净；6．实验中液槽中会有一定的热量产生，并导致媒质挥发，槽壁会发现挥发气体凝露，一般不影响实验结果，但须注意液面下降太多致锆钛酸铅陶瓷片外露时，应及时补充液体至正常液面线处；7．实验完毕应将超声池内被测液体倒出，不要将锆钛酸铅陶瓷片长时间浸泡在液槽内；8．以下两点可明显提高条纹清晰度和衍射级次：（1）将分光计狭缝内的毛玻璃片卸除；（2）光源尽量靠近狭缝。【思考问题】1．用逐差法处理数据的优点是什么？2．误差产生的原因？3．能否用钠灯作光源？4．实验中观察到蓝线会有晃动，是由什么原因产生？近代物理实验实验08超声光栅测定声速7/7【附录】温度不同对测量结果有一定的影响，可对不同温度下的测量结果进行修正，修正系数及不同物质中的声波在20℃纯净介质中的传播速度见附表1-1：声波在下列物质中传播速度：20℃纯净介质。附表1-1液体0t℃(m/s)A(m/s·k)苯胺201656-4.6丙酮201192-5.5苯201326-5.2海水171510-1550/普通水2514972.5甘油201923-1.8煤油341295/甲醇201123-3.3乙醇201180-3.6表中A为温度系数，对于其他温度t的速度可近似按公式)(00ttAt计算。