声先效应：一、利用超声先栅测定液体中的声速

1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】1．了解声光效应的原理；2．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2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。kdksin（k=0，1，2，……）（1）光路图如图2图23实际上由于角很小，可以认为：flkk/sin（2）其中kl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kklfkkd/sin/（3）超声波在液体中的传播速度：v（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。2．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，且使光路与液槽内超声波传播方向垂直。4．调节高频功率信号源的频率（数字显示）和液槽的方位，直到视场中出现稳定而且清晰的左右至少各二级以上对称的衍射光谱，再细调频率，使衍射的谱线出现间距最大，且最清晰的状态，记录此时的信号源频率。5.分光计目镜更换测微目镜，对蒸镏水和乙醇两种液体的超声光栅现像进行测4量，分别测量紫、绿、黄1、黄2四条谱线各级的相对位置，并记录液体的温度。6.计算紫、绿、黄1、黄2每一条谱线衍射级间的平均间距2kl，计算出不同级数不同波长所对应的光栅常数id求出d，然后求出V及%100SSVVV表1数据表级数kl2kilf2/2d-2-1+1+22/)(22ll11ll2211测微目镜读数黄酒精绿紫黄水绿紫信号源频率酒精水【思考题】1．本实验如何保证平行光束垂直于声波的方向？2．驻波波节之间距离为半个波长2，为什么超声光栅的光栅常数等于超声波的波长？【附录】1．一些参数：20℃时，乙醇（C2H5OH）中标准声速vS=1168m/s水（H2O）中标准声速vS=1451.0m/s紫光波长=425.83nm黄1光波长=576.96nm绿光波长=546.07nm黄2光波长=579.07nm2．测微目镜简介：测微目镜是带测微装置的目镜，可作为测微显微镜和测微望远镜等仪器的部件，在光学实验中有时也作为一个测长仪器独立使用（例如测量非定域干涉条纹的间距）。图3（a）是一种常见的丝杠式测微目镜的结构剖面图。鼓轮转动时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动；鼓轮反转时，叉丝玻片因受弹簧恢复力作用而反向移动。有100个分格的鼓轮每转一周，叉丝移动1mm，所以鼓轮上的最小刻度为0.01mm。图3（b）表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米尺、可移动分划板上的叉丝与竖5丝以及被观测的几条干涉条纹。图3（a）图3（b）1-复合目镜；2-固定的毫米刻度玻片；3-可动的叉丝玻片；4-传动螺旋；5-鼓轮；6-防尘玻璃例：为了测量干涉条纹中的10个明（或暗）条纹距离，可以使叉丝和竖丝对准第n个明（或暗）条纹，先读毫米标尺上的整数，再加上鼓轮上的小数，即为该条纹的位置A。再慢慢移动叉丝和竖丝，对准第n+10个明（或暗）条纹，得到位置B。若A=2.735mm,B=4.972mm,则11个条纹间的10个距离就是10△x=B-A=4.972-2.375=2.237mm。测微目镜的结构很精密，使用时应注意：虽然分划板刻尺是0-8mm，但一般测量应尽量在1-7mm范围内进行，竖丝或叉丝交点不许越出毫米尺刻线之外，这是为保护测微装置的准确度所必须遵守的规则。