實(shí)驗(yàn)11超聲光柵測(cè)定聲速五邑大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心2010.9實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

了解分光計(jì)的主要構(gòu)造及各部分的作用。掌握分光計(jì)的調(diào)節(jié)要求和使用方法。了解超聲光柵產(chǎn)生的原理。利用超聲光柵測(cè)定液體中的聲速。分光計(jì)的主要用途1、分光計(jì)是精確測(cè)定光線偏轉(zhuǎn)角的儀器，也稱(chēng)測(cè)角儀。2、光學(xué)中的許多基本量如波長(zhǎng)、折射率等都可以直接或間接的表現(xiàn)為光線的偏轉(zhuǎn)角，因而利用分光計(jì)可測(cè)量波長(zhǎng)、折射率等。3、使用分光計(jì)時(shí)必須經(jīng)過(guò)一系列的精細(xì)的調(diào)整才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，它的調(diào)整技術(shù)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基本技術(shù)之一，必須正確掌握。分光計(jì)的主要構(gòu)造刻度盤(pán)與游標(biāo)盤(pán)中心轉(zhuǎn)軸分光計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)及調(diào)節(jié)的要求儀器轉(zhuǎn)軸一同軸三調(diào)焦三垂直平行光管望遠(yuǎn)鏡目鏡、物鏡、平行光管望遠(yuǎn)鏡軸線、載物臺(tái)、平行光管軸線vs中心轉(zhuǎn)軸載物臺(tái)Step1.游標(biāo)盤(pán)固定不動(dòng)Step2.望遠(yuǎn)鏡

&刻度盤(pán)轉(zhuǎn)到其中一條光線的位置Step3.讀數(shù)（左右游標(biāo)）Step4.重復(fù)2.3步讀數(shù)另一光線的位置參數(shù)分光計(jì)的測(cè)角度的方法測(cè)什么？如何測(cè)？如何計(jì)算？位置1位置2左游標(biāo)右游標(biāo)？？用2個(gè)游標(biāo)，Why?AOBb

不偏心時(shí)，由于，所以可用弧長(zhǎng)反映角度的大小。由于偏心，使之用弧長(zhǎng)反映角度時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。如：這是由偏心造成的。偏心差及其處理方法分光計(jì)的測(cè)量方法望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算公式

設(shè)望遠(yuǎn)鏡豎直叉絲先對(duì)準(zhǔn)某條光線，此時(shí)，左右兩個(gè)游標(biāo)的零刻度線分別對(duì)準(zhǔn)刻度盤(pán)上的兩個(gè)值（1左和1右），當(dāng)望遠(yuǎn)鏡豎直叉絲對(duì)準(zhǔn)另一條光線后，左右兩個(gè)游標(biāo)的零刻度線分別對(duì)準(zhǔn)刻度盤(pán)上的另兩個(gè)值（2左和2右）。分光計(jì)的讀數(shù)與游標(biāo)卡尺的讀數(shù)類(lèi)似，如右圖，游標(biāo)的零刻度線對(duì)準(zhǔn)的刻度盤(pán)讀數(shù)為116o15′。1左1右2右2左則望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過(guò)的角度即為位置1位置2分光計(jì)的測(cè)量方法2、在計(jì)算望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過(guò)的角度時(shí)，要注意游標(biāo)是否經(jīng)過(guò)了刻度盤(pán)的0o或360o刻度線。若越過(guò)，則對(duì)旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算公式應(yīng)予以修正（思考如何修正）注意事項(xiàng)1、刻度盤(pán)上最小刻度為30’，測(cè)量時(shí)看清游標(biāo)零刻度線是否越過(guò)刻度盤(pán)上30’刻度線。光柵衍射原理透射式衍射光柵透明不透明ab通常為1023~10mm數(shù)量級(jí)d光柵常數(shù):ab()+d光柵衍射光路圖(強(qiáng)度分布)YI光柵透鏡屏幕光柵衍射光路圖(具體分析)主極大(明條紋)角位置條件k稱(chēng)為主極大級(jí)數(shù)根據(jù)光柵方程測(cè)量光的波長(zhǎng),或者給定光的波長(zhǎng)測(cè)量光柵常數(shù)光柵方程:光柵中央明條紋K=0一級(jí)明條紋K=-1綠黃黃綠光柵衍射光路圖(汞燈光譜分布)聲光效應(yīng)當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),超聲波使介質(zhì)產(chǎn)生周期性變化的彈性應(yīng)力或應(yīng)變,導(dǎo)致介質(zhì)密度的空間分布出現(xiàn)疏密相間的周期性變化，從而導(dǎo)致介質(zhì)的折射率相應(yīng)變化。光束通過(guò)這種介質(zhì),就好像通過(guò)光柵一樣,會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱(chēng)為超聲致光衍射（亦稱(chēng)聲光效應(yīng)）。這種載有超聲的透明介質(zhì)稱(chēng)為超聲光柵。聲光衍射可分為兩類(lèi)：1.當(dāng)L<<A2/(2πλ)時(shí),式中L為聲束寬度，A為聲波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)，λ為真空中的光波波長(zhǎng)，就會(huì)產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)于零級(jí)的多級(jí)衍射，即拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射。此時(shí)和平面光柵的衍射幾乎沒(méi)有區(qū)別，滿(mǎn)足下式的衍射光均在衍射角φ的方向上產(chǎn)生極大光強(qiáng):

Asinφ=kλ

，k=0,±1,±2...2.當(dāng)L>>A2/(2πλ)時(shí),聲光介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)體光柵，產(chǎn)生布拉格(Bragg)衍射，其衍射光強(qiáng)只集中在滿(mǎn)足布拉格公式（sinφB=kλ/(2A)，k=0,±1,±2...）的一級(jí)衍射方向，且±1級(jí)不同時(shí)存在。實(shí)驗(yàn)儀器超聲池壓電陶瓷晶片測(cè)微目鏡實(shí)現(xiàn)布拉格衍射需要高頻（幾十兆赫茲）超聲源，實(shí)驗(yàn)條件較為復(fù)雜，故本實(shí)驗(yàn)采用拉曼-奈斯衍射裝置11MHz左右共振頻率的鋯鈦酸鉛陶瓷片1.汞燈2.平行光管3.超聲池4.望遠(yuǎn)鏡(去掉目鏡筒)5.測(cè)微目鏡6.壓電陶瓷晶片7.導(dǎo)線8.頻率顯示窗9.超聲光柵儀10.調(diào)頻旋鈕

測(cè)微目鏡超聲池汞燈分光計(jì)超聲光柵儀頻率顯示窗調(diào)頻旋紐儀器整體正面圖分光計(jì)超聲光柵儀儀器整體側(cè)面圖汞燈分光計(jì)超聲光柵儀超聲波產(chǎn)生原理利用壓電體的逆壓電效應(yīng)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。壓電體在交變電場(chǎng)的作用下發(fā)生周期性的壓縮和伸長(zhǎng)，當(dāng)外加交變電場(chǎng)的頻率與壓電體的固有頻率相同時(shí)振幅最大。這種振動(dòng)在介質(zhì)中傳播就得到超聲波。壓電效應(yīng)對(duì)某些電介質(zhì)晶體施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，晶體因內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，導(dǎo)致晶體兩端面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比。這種沒(méi)有電場(chǎng)作用，由機(jī)械應(yīng)力的作用而使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。當(dāng)機(jī)械應(yīng)力由壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力時(shí)，電荷符號(hào)也改變。電致伸縮效應(yīng)與壓電效應(yīng)相反，將具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)晶體置于電場(chǎng)中，電場(chǎng)的作用引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對(duì)位移，而這一位移又導(dǎo)致介質(zhì)晶體發(fā)生形變，晶體的這種由外加電場(chǎng)產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)也叫電致伸縮效應(yīng)。晶體形變的大小與外加電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，當(dāng)電場(chǎng)反向時(shí)，形變也改變符號(hào)。超聲光柵形成原理超聲波縱波在盛有液體的玻璃槽中傳播時(shí)，液體被周期性地壓縮與膨脹，其密度會(huì)發(fā)生周期性的變化，形成疏密波。稀疏作用會(huì)使液體密度減小、折射率減小。壓縮作用會(huì)使液體密度增大、折射率增大，因此液體密度的周期變化，導(dǎo)致其折射率也呈周期變化。若超聲行波以平面波的形式沿X軸正方向傳播時(shí)，波動(dòng)方程可描述為超聲波周期超聲波波長(zhǎng)

如果超聲波被液槽的一個(gè)垂直于x軸的平面反射，又會(huì)反向傳播，當(dāng)反射平面距波源為波長(zhǎng)四分之一的奇數(shù)倍時(shí)，入射波與反射波分別為兩者疊加得該式說(shuō)明疊加的結(jié)果形成了駐波：沿x方向各點(diǎn)的振幅為，是x的函數(shù)，隨x呈周期性的變化（波長(zhǎng)s），但不隨時(shí)間變化，位相是時(shí)間的函數(shù)，但不隨空間變化。某時(shí)刻，縱駐波的任一波節(jié)兩邊的質(zhì)點(diǎn)都涌向這個(gè)節(jié)點(diǎn)，使該節(jié)點(diǎn)附近成為質(zhì)點(diǎn)密集區(qū)，而相鄰的波節(jié)處為質(zhì)點(diǎn)稀疏區(qū)，半個(gè)周期后，這個(gè)節(jié)點(diǎn)附近的質(zhì)點(diǎn)又向兩邊散開(kāi)變?yōu)橄∈鑵^(qū)，相鄰波節(jié)處變?yōu)槊芗瘏^(qū)。由于駐波的振幅可以達(dá)到單一行波的二倍，加劇了波源和反射面之間液體的疏密變化程度。液槽內(nèi)距離等于波長(zhǎng)s的任何兩點(diǎn)處，液體的密度相同，折射率也相同。因此，有超聲波傳播的液體相當(dāng)于一個(gè)位相光柵，稱(chēng)為“超聲光柵”。

反射板反射板波節(jié)波節(jié)利用超聲光柵衍射測(cè)量液體中的聲速

當(dāng)平行光沿著垂直于超聲波傳播方向通過(guò)液體時(shí)，由于光速遠(yuǎn)大于液體的聲速，可以認(rèn)為光波的一波陣面通過(guò)液體的過(guò)程中液體中的疏密及其折射率的周期變化情況沒(méi)有明顯改變，相對(duì)穩(wěn)定。這時(shí)，因折射率的周期變化將使光波通過(guò)液體后在原先的波陣面上產(chǎn)生了相應(yīng)的周期變化的位相差，（在光柵測(cè)波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中，是由于平行光通過(guò)光柵后產(chǎn)生了光程差）。在某特定方向上出射光會(huì)相干加強(qiáng)，產(chǎn)生衍射，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦，即可在焦平面上觀察到衍射條紋。當(dāng)液槽中傳播的超聲波被液槽的一個(gè)玻璃面反射，在一定條件下形成超聲頻率的縱向振動(dòng)駐波時(shí)，可加劇液體的疏密變化程度，使衍射現(xiàn)象加強(qiáng)。超聲波波長(zhǎng)A即相當(dāng)于光柵常數(shù)。PZT晶片SL1L2lkfΦk可調(diào)狹縫光柵方程超聲頻率Δlk為同一顏色光衍射條紋間距，因?yàn)橥簧獾难苌錀l紋是等間距的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)節(jié)分光計(jì)（三調(diào)焦三垂直）放置超聲池，調(diào)節(jié)到共振狀態(tài)，觀察衍射條紋，并測(cè)量。二級(jí)譜一級(jí)譜零級(jí)譜汞光的可見(jiàn)光區(qū)主要譜線表波長(zhǎng)（nm）顏色相對(duì)強(qiáng)度579.07黃強(qiáng)576.96黃強(qiáng)546.07綠很強(qiáng)491.60藍(lán)綠中435.84藍(lán)紫很強(qiáng)404.66紫強(qiáng)思考題1.為什么超生腔內(nèi)形成的是縱駐波？2.本實(shí)驗(yàn)如何保證平行光束垂直于聲波的方向？3.駐波波節(jié)之間距離為半個(gè)波長(zhǎng)，為什么超聲光柵的光柵常數(shù)等于超聲波的波長(zhǎng)？