超声光栅测声速习题及数据处理
实验30 用超声光栅测量声速
实验目的:
1.实验原理及仪器介绍:
2.简述本实验所用到的主要实验仪器和它们的作用。
3.简述超声光栅形成的原理。
4.推导超声波在液体中的传播速度公式。
1.实验内容:
2.简述分光计的调节步骤。
什么叫逐差法？ 其优点是什么？
在超声光栅测声速实验过程中, 为什么要避免震动？ 导线分布及电容的变化对实验结果有何影响？
为什么锆钛酸铅陶瓷片表面必须与其对面的玻璃槽壁平行？
1.数据表格:
记录所用测量仪器的仪器误差:
列出数据记录表格:
教师签字:
月日
超声光栅测速实验
结果与讨论10分
思考题
10分
总分
五、数据记录：
条纹计数
1、将计数器清零。
2、同方向旋转，使叉丝中央通过10个条纹，通过计数器读取通过的距离
测量四次（单位mm）
Y1
Y2
Y3
Y4
2、同方向旋转，使叉丝中央通过10个条纹，通过计数器读取通过的距离
测量四次（单位mm）
Y1
Y2
Y3
Y4
六、数据处理：
求出4次超声波声速平均值并计算误差和不确定度
四次声速的平均值（单位mm）
v1
v2
v3
v4
七、实验结论与讨论：
八：问答题
指导教师批阅意见：
成绩评定：
预习
（20分）
操作及记录ห้องสมุดไป่ตู้
（40分）
数据处理
得分
教师签名
批改日期
深 圳 大 学 实 验 报 告
课程名称：大学物理实验（2）
实验名称：超声光栅测声速实验
学院：
专业：班级：
组号：指导教师：
报告人：学号：
实验地点
实验时间：年月日星期
实验报告提交时间：
一、实验目的
二、实验原理：
三、实验仪器：
四、实验内容和步骤：.
五、数据记录：
条纹计数
1、将计数器清零。
超声光栅测量声速
用超声光栅测定液体中的声速一、实验目的（1）学习声光学实验的设计思想及其基本的观测方法。
（2）测定超声波在液体中的传播速度。
（3）了解超声波的产生方法。
二、仪器用具分光计，超声光栅盒，高频振荡器，数字频率计，纳米灯。
三、实验原理将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。
把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。
超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波，如图1a)所示。
由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。
若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为式中ΔN是折射率的变化幅度；ωs是超声波的波角频率；Ks是超声波的波数，它与超声波波长λs的关系为Ks=2π/λs。
图1b是某一时刻折射率的分布，这种分布状态将随时以超声波的速度vs向前推进。
如果在超声波前进的方向上垂直放置一表面光滑的金属反射器，那么，到达反射器表面的超声波将被反射而沿反向传播。
适当调节反射器与波源之间的距离则可获得一共振驻波（纵驻波）。
设前进波与反射波分别沿y轴正方向传播，它们的表达式为其合成波为此式就是驻波的表达式。
其中表示合成以后液体媒质中各点都在各自的平衡位置附近作同周期的简谐振动，但各点的振动为，即振幅与位置y有关，振幅最大发生在处，对应的（n=0，1，2，3……）这些点称为驻波的波幅，波幅处的振幅为2A，相邻波幅间距离为。
振幅最小发生在处，其中，这些点称为波节，如图2中a、b、c、d为节点，相邻波节间的距离也为。
可见，驻波的波腹与波节的位置是固定的，不随时间变化。
对于驻波的任意一点a，在某一时刻t=0时，它两边的质点都涌向节点，使节点附近成为质点密集区；半周期后，节点两边的质点又向左右散开，使波节附近成为稀疏区。
超声光栅实验_
实验45 用超声光栅测定液体中的声速声光效应是指光波通过受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。
由于超声波调制了液体的密度，使原来均匀透明的液体，变成折射率周期变化的“超声光栅”，当光束穿过时，就会产生衍射现象，由此可以准确测量声波在液体中的传播速度。
早在1921年布里渊（L.Brillouin）曾预言液体中的高频声波能使可见光产生衍射效应，十年后，P.J.W.德拜和F.W.西尔斯以及R.卢卡斯和P.Biquard 分别观察到了声光衍射现象。
上世纪六十年代后，随着激光技术的出现以及超声技术的发展，使声光效应得到了广泛的应用。
如制成声光调制器和偏转器，可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向。
目前，声光效应在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。
【实验目的】1. 了解超声致光衍射原理。
2. 用超声光栅测量液体中的声速。
【实验内容】1. 了解声光效应的实验原理。
2. 学习利用超声光栅测量液体中的声速。
3. 学习光路准直的调节以及读数显微镜的使用方法【实验仪器】实验装置由超声信号源、低压钠灯、光学导轨、光狭缝、透镜、超声池、测微目镜以及高频连接线等组成。
【实验原理】 压电陶瓷片（PZT ）在高频信号源所产生的交变电场的作用下，发生周期性的压缩和伸长振动，该振动在液体中的传播就形成超声波。
超声波在液体中传播分为行波和驻波两种形式。
当一束平面超声波行波在液体中传播时，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压缩与膨胀，使液体的密度在波传播方向上发生周期性的变化，形成所谓疏密波。
液体密度的周期性变化，必然导致液体的折射率也做同样变化，如同一个相位光栅。
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形式运动的，如果实验z z 超声光栅实验光路图中，使超声波在有限尺寸的超声池内形成稳定的驻波，由于驻波振幅可以达到行波振幅的两倍，从而加剧液体疏密变化的程度，因此，当平行光入射时更易于对衍射现象的稳定观察。
超声光栅实验及数据处理
超声光栅实验1．了解超声致光衍射的原理。
2．利用声光效应测量声波在液体中的传播速度。
【实验原理】光波在液体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），这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。
超声波调制了液体的密度，使原来均匀透明的液体，变成折射率周期变化的“超声光栅”，当光束穿过时，就会产生衍射现象，由此可以准确测量声波在液体中的传播速度。
并且，由于激光技术和超声技术的发展，使声光效应得到了广泛的应用。
如制成声光调制器和偏转器，可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向，它在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。
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λ，为液体中传播的行波的波长，而在半个周期以后，t+T/2。
超声光栅测声速实验(全)
超声光栅测声速一、实验目的1. 了解超声光栅的产生原理。
2. 了解声波如何对光信号进行调制。
3. 通过对液体中声速的测定，加深对声学光学中物理概念的理解。
二、实验原理光波在介质中被超声光栅衍射的现象，被称为超声致光衍射。
超声波作为一种纵波在液体中传播时，超声波的声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体折射率也作出相应的变化，形成疏密波。
当产生驻波时，波节处变为密集区，其作用使液体折射率减小，压缩作用使液体折射率增大。
形成类似于光栅的作用。
当满足拉曼-奈斯衍射条件：22/1l A πλ<<时这种衍射相似于平行光栅衍射，可得如下光栅方程：k ASin k φλ=在调好的分光计上，且当k φ很小时，有：/k k Sin l f φ=其中，k l 为衍射零级谱至k 级的距离；f 为透镜焦距。
所以超声波波长：k kk k f A Sin l λλφ== 超声波在液体中的传播速度： k f v A l λγυ==∆其中υ是振荡器的共振频率，k l ∆为同一色光衍射条纹间距。
三、实验步骤1． 分光计的调整，用自准法使望远镜聚焦于无穷远，目镜调节使看清分划板刻线，实验过程中无需调节。
2． 采用低压汞灯作光源。
3． 将待测液体注入，液面高度以刻线为准。
4． 将此液体槽置于载物台上，放置时使超声池表面两侧基本垂直于望眼镜和平行光管的光轴。
5． 连接号电路，开启超声信号电源，观察衍射条纹，微调信号的频率，使条纹级次明显增多和清晰。
6． 观察到3~4级以上的衍射条纹使，取下阿贝目镜，换上测微目镜，分别测出不同颜色条纹的间距。
7． 计算公式为： c k f v l λγ=∆四、数据处理1、纯净水Y =1.38502.1320 2.91503.68104.4150L =1.48502.1950 2.91503.64504.3450B =1.71802.2950 2.91503.47004.0950黄光间距均值绿光间距均值蓝光间距均值1.0e-003 *0.7632 0.7183 0.5920黄光标准差绿光标准差蓝光标准差1.2032 0.9376 0黄光声速绿光声速蓝光声速1.0e+003 *1.5051 1.5108 1.4629相对误差0.0150 0.0188 -0.01352、酒精Y =1.15102.11603.0090 3.97104.9210L =1.27002.18103.0090 3.89104.8310B =1.67502.29903.0090 3.67504.4550黄光间距均值绿光间距均值蓝光间距均值1.0e-003 *0.9375 0.8785 0.6927黄光标准差绿光标准差蓝光标准差1.4856 1.0974 0黄光声速绿光声速蓝光声速1.0e+003 *1.2273 1.2375 1.2525相对误差0.0508 0.0595 0.0723五、实验心得这次实验又一次使我看到了光的波动性在精确测定微小值时的准确性，这次利用的是光栅衍射的特性，又一次让我感受到了光学原理的重要应用。
实验23：超声光栅测声速实验
实验23:超声光栅测声速
思考题:
1.超声光栅测声速实验中为什么不能用钠黄光代替汞光?
答:这于光源的显色性有关一般定义日光显色性为100，而越接近100的则越接近日光，但目前人类还无法制造出达到100的光源,钠灯的显色很差的，这是钠的特性决定的，他就是黄光，显色大概只有20-40左右。
而高压汞灯通常为50-60左右，超高压汞灯可以达到70-80甚至更高,而金卤灯（金属卤化物气体放电灯，金属卤化物灯，氙灯）这种灯如果购买的是5000-6500K色温的灯泡，显色性可以达到85-90，可以替代汞灯,但钠灯显然不可以替代汞灯.
2.在超声光栅测声速实验里，蓝线为什么会晃动?
答:是由于各种色光相对于透镜的焦距不同，在超声光栅实验中，为了能同时看清黄色、绿色和蓝色光，目镜的焦距要比蓝光相对于透镜的焦距小，而与黄光和绿光的焦距比较接近，因此人眼对蓝光谱线产生视差，就觉得好像蓝线在晃动。
【数据记录与数据处理】
1.用逐差法求出条纹间距的平均值.
2.由声速计算公式:Vc=λνf/△lk,计算声速。
答:。
超声光栅测量声速实验报告
超声光栅测量声速实验报告一、实验目的1、了解超声光栅产生的原理。
2、学会使用超声光栅测量液体中的声速。
3、掌握分光计的使用方法。
二、实验原理当超声波在液体中传播时，液体的疏密分布会发生周期性变化，从而形成超声光栅。
类似于光学中的光栅，超声光栅可以使入射光发生衍射。
根据光栅衍射方程，衍射条纹的位置与光栅常数、入射光波长以及衍射级数有关。
在超声光栅实验中，光栅常数等于超声波的波长。
超声波在液体中的传播速度 v 与超声波的频率 f 和波长λ 之间的关系为 v ＝fλ。
通过测量衍射条纹的间距和分光计的角度，可计算出超声波的波长，进而求得声速。
三、实验仪器分光计、超声光栅实验仪、钠光灯、测微目镜等。
四、实验步骤1、仪器调节（1）将分光计调节至水平状态，使望远镜、平行光管的光轴与中心转轴垂直。
（2）调节望远镜，使其能够清晰地看到叉丝和反射回来的十字像。
2、超声光栅的产生（1）在超声光栅实验仪的液槽中注入适量的待测液体（如水）。
（2）打开超声光栅电源，调节频率，使液体中产生稳定的超声光栅。
3、观察衍射条纹（1）将钠光灯作为光源，通过平行光管照射液槽中的超声光栅。
（2）在望远镜中观察衍射条纹，并调节测微目镜，使条纹清晰可见。
4、测量衍射条纹间距（1）转动望远镜，测量各级衍射条纹与中央条纹的间距。
（2）为减小误差，对同一级条纹进行多次测量，并取平均值。
5、测量衍射角（1）根据分光计的读数系统，读取各级衍射条纹对应的角度。
（2）同样进行多次测量，求平均值。
6、数据处理与计算（1）根据测量得到的条纹间距和衍射角，利用光栅衍射方程计算超声波的波长。
（2）已知超声波的频率，计算出声速。
五、实验数据及处理以下是实验中测量得到的数据：｜衍射级数|条纹间距（mm）｜衍射角（度）｜｜｜｜｜｜1|＿____|＿____|｜2|＿____|＿____|｜3|＿____|＿____|根据光栅衍射方程dsinθ ＝kλ（其中 d 为光栅常数，θ 为衍射角，k 为衍射级数，λ 为波长），可得波长λ ＝dsinθ ／ k 。
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超声光栅
填空题
1. 写出测量超声波声速的公式：k
l f V ∆=
Λ=γ
λγ
2. 在超声光栅实验中，测量衍射条纹的间距时，用测微目镜沿—个方向逐级测量
其位置读数，其目的是要避免空程差。
3. 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（声光效应）。
4．在超声光栅实验中，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。
简答题
1． 逐差法处理数据的优点是什么？
答：能够充分利用测量数据，更好地发挥多次测量取平均值的效果。
可验证表达式 或求多项式的系数。
2． 在超声光栅实验中，若只调出1级衍射谱线，应如何调整找到3级以上的 衍射谱线？
答：调节频率调节旋钮，使电振荡频率与压电换能器固有频率共振。
此时，衍射 光谱级次会显著增多而且明亮。
为使平行光束垂直于超声束传播方向，可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。
经过上述仔细调节，一般应观察到3级以上的衍射谱线。
3． 在超声光栅测声速实验中，应如何正确放置超声池？
答：使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴； 4． 在超声光栅测声速实验中，当找到谱线后，若发现两侧光谱的谱线级次不一样， 应如何调整？
答：可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。
超声光栅测声速实验数据处理：
实验数据记录 实验温度：30
C
声波传播介质：纯净水
数据处理： l f V ∆=/λν
黄色谱线：λ=578.0nm f =170mm
1.2854.506-5.971 1.4913.793-5.284 1.482
3.024-
4.506=== MHz
m m l m m
l k 40.11|35.1144.11|7095
.02/419.1419.1=+===∆=∆ν
V 黄=s m s m /6.1507/10
7095.1040.1110170100.5783
6
39=⨯⨯⨯⨯⨯⨯--- 绿色谱线：
2.123
4.506-6.629 2.0403.832-
5.872 2.121
3.139-5.260 2.107
2.399-4.506==== MHz m m l m m l K 40.1169925.009775.2==∆=∆ν
V 绿=s m s m /5.1513/10
69925.01040.1110170101.5463
6
39=⨯⨯⨯⨯⨯⨯--- 蓝色谱线：
1.1184.506-5.624 1.1003.985-5.085 1.1173.389-4.506=== MHz
mm l mm l K 40.11556.0117.1==∆=∆ν V 蓝=s m s m /0.1519/556
.040.111017010435.83
9=⨯⨯⨯⨯--
1510.0m/s /s 1519.0)/3m 1513.5(1507.6V C =++=
温度修正公式：)(o o t t t A V V -+= 普通水：V O =1497m/s.
A=2.5(m/s*k)
t o =25o C
V 30=1497+2.5⨯(30-25)=1509.5m/s 本实验测量结果：V 30=1510.0m/s
E=%033.05
.15095
.15090.1510=-。