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1、用超声光栅测定液体中的声速一、实验目的（1）洋习声光V实验的设计思想及其基本的观测方法。（2）测定超声波在液体屮的传播速度。（3）了解超声波的产生方法。二、仪器用具分光计，超川光栅盒，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、觇酸锂或错钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作川F,晶片会产牛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丿应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质屮，当晶片上加的交变电压频率等丁-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
2、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la）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NO表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为N（yj）=+A7Vcos（©/-K$y）式屮an是折射率的变化幅度；3s是超声波的波角频率；Ks是超声波的波数，它与超声波波长Xs的关系为Ks=2n/Xso图lb是某一时刻折射率的分布,这种分布状态将随时以超声波的速度vs向前推进。b)图1密度和折射率呈周期性分布G液体分子呈疏密相间的周期性分布b）折射率的周期性分
3、布如果在超声波前进的方向上垂直放置-•表血光滑的金属反射器，那么，到达反射器表血的超声波将被反射而沿反向传播。适当调节反射器为波源Z间的距离则可获得•其振驻波（纵驻波）。设前进波与反射波分别沿y轴正方向传播，它们的表达式为$=AcosSj—K$y）§2=Acos（qj+K$y）其合成波为§=§+$=Acos(©-K$y)+$=Acos(©/+K$y)§=2AcosKsycoscost此式就是驻波的表达式。其中COS0/表示合成以后液体媒质中各点都在各口的平衡位置附近作同周期的简谐振动，但各点的振动为
4、AcosK』
5、,即振幅与位置y有关，振
6、幅最大发牛在
7、cosK、y=1处，对应的y=htt/Ks-nAs/2（n=0,1,2,3）这些点称为驻波的波幅，波幅处的振幅为2A,相邻波幅间距离为入./2。振幅最小发生在
8、cosKsj
9、=0处，其屮），=（2〃+1）入/4,这些点称为波节，如图2屮a、b、c、d为节点，相邻波节间的距离也为入/2。可见，驻波的波腹与波节的位置是固定的，不随时间变化。对J：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，节点两边的质点乂向左右散开，使波节附近成为稀疏区。在同-时刻，相邻波节附近质点密集和稀疏
10、情况正好相反。与此同时，随着液体密度的周期变化，其折射率也呈周期变化，密度相等处其折射率也相等，这时折射率的空间分布为N（y,/）=No+2ANsinK$ycos©/从式屮可以看岀，液体屮各点的折射率是按正弦规律分布的，当光从垂1工于超声波的传播方向透过超声场示，会产生衍射，这一现象如同光栅衍射，所以超声波作用的这一部分介质可看成是一等效光栅，称为超声光栅。光栅常数为两个相邻等密度处的距离，即超声波的按照超声频率的高低和受声光作川超声场长度的不同，声光作用町分为两种类世：喇曼•奈斯衍射和布喇格衍射。本实验采用喇曼■奈斯衍射，如图3所示。平
11、行光垂直入射光栅时，将产生多级衍射光，各级衍射极大（即衍射光强度为最大的位置）对称地分布在零级极大位迸的两侧。设笫k级衍射极人对应的衍射角为（）k,则有入sin0k=kA,（k=0,±l,±2,±3...）式中入为光波波长。超声波在介质中传播的速度为超声光栅实验的原理如图4所示。在超声光栅盒屮的压电晶体两端加高频电压，压电晶体在交变电场作用下发生周期性的压缩伸长，即产生机械振动。当外加交变电场频率达到压电晶体的固仃频率时，晶体会发牛•共振现象，这时机械振动的振幅达到最人值。超声波从晶体表面发射经过待测介质（如水）后在超声盒的反射器反射，适
12、当调节压电品体与反射器Z按照超声频率的高低和受声光作川超声场长度的不同，声光作用町分为两种类世：喇曼•奈斯衍射和布喇格衍射。本实验采用喇曼■奈斯衍射，如图3所示。平行光垂直入射光栅时，将产生多级衍射光，各级衍射极大（即衍射光强度为最大的位置）对称地分布在零级极大位迸的两侧。设笫k级衍射极人对应的衍射角为（）k,则有入sin0k=kA,（k=0,±l,±2,±3...）式中入为光波波长。超声波在介质中传播的速度为超声光栅实验的原理如图4所示。在超声光栅盒屮的压电晶体两端加高频电压，压电晶体在交变电场作用下发生周期性的压缩伸长，即产生机械振动
13、。当外加交变电场频率达到压电晶体的固仃频率时，晶体会发牛•共振现象，这时机械振动的振幅达到最人值。超声波从晶体表面发射经过待测介质（如水）后在超声盒的反射器反射，适当调节压电品体与反射器Z间的
