仪器使用说明
TEACHER'S GUIDEBOOK
FD-UG-A
超声光栅实验仪
中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司
Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.
FD-UG-A超声光栅实验仪使用说明
一、概述
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。
由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-UG-A型超声光栅实验仪改变了以往超声光栅在分光仪上完成的传统,将平行光管和望远镜中的各个光学元件独立的放置在光学导轨上,让学生自主调节,这样增加了学生动手能力方面的锻炼,并且将可调狭缝改为光刻狭缝,这样观察到的衍射光谱更加锐细明亮,测量更加准确。
该仪器测量准确度高,实验稳定可靠,适用于高等院校基础物理实验以及近代物理实验。
二、仪器简介
图1 超声光栅仪器装置
三、技术指标
1.超声信号源 共振频率约10.000MHz左右,分辨率0.001MHz
2.光刻狭缝 缝宽:0.04mm,缝长:6mm
3.透镜 通光孔径:28mm,透镜焦距:157mm
4.超声池 长度:80mm,宽度:40mm,高度:59mm
5.测微目镜 测量范围:0-8mm,分辨率:0.01mm
6.光学导轨 长度:650mm,长度测量分辨率:1mm
四、实验项目
1. 了解声光效应的实验原理。
2. 学习利用声光效应测量液体中的声速。
3. 学习光路准直的调节以及读数显微镜的使用方法
五、注意事项
1. 液槽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信号频率有影响,因此不能触碰连接液槽和信号源的导线。
2. 压电陶瓷片表面与对面的液槽壁表面必须平行,此时才会形成较好的驻波,因此实验时应将液槽的上盖盖平。
3. 压电陶瓷片的共振频率在10MHz左右,在稳定共振时,数字频率计显示的频率应是稳定的,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,因为声波在液体中的传播与液体温度有关,时间过长,液体温度可能有变化。实验时,特别注意不要使频率长时间调在10MHz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,可用酒精清洗干净,或用镜头纸擦净。
6. 实验时液槽中会产生一定的热量,并导致媒质挥发,槽壁可见挥发气体凝聚,一般不影响实验结果,但须注意若液面下降太多致使压电陶瓷片外露时,应及时补充液体至正常液面线处。
7. 实验完毕应将被测液体倒出,不要将压电陶瓷片长时间浸泡在液槽内。
8. 传声媒介在含有杂质时对测量结果影响较大,建议使用纯净水(市售饮用纯净水即可)、分析纯酒精、甘油等,对某些有毒副作用的媒质(如苯等),不建议学生实验使用,教师教学或科研需要时,应注意安全。
9. 仪器长时间不用时,请将测微目镜收于原装小木箱中并放置干燥剂。液槽应清洗干净,自然晾干后,妥善放置,不可让灰尘等污物侵入。
超声光栅实验
【实验目的】
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】
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
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。
(k=0,1,2,……) (1)
光路图如图2所示。
图2 超声光栅实验光路图
实际上由于角很小,可以认为:
(2)
其中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 (3)
超声波在液体中的传播速度:
(4)
式中为信号源的振动频率。
【实验仪器】
实验装置主要由控制主机(超声信号源)、低压钠灯、光学导轨、光学狭缝、透镜、超声池、测微目镜以及高频连接线组成。如图3所示。
图3 超声光栅实验装置
【实验过程】
1.将器件按图3放置。低压钠灯于超声光栅试验仪相连。
2.调节狭缝与透镜L1的位置,使狭缝与分光计垂直,狭缝中心法线与透镜L1的光轴(即主光轴)重合,且与分光计平行。二者间距为透镜L1的焦距(即透镜L1射出平行光)。
3.调节透镜L2与测微目镜的高度,使二者光轴与主光轴重合。调焦目镜,使十字丝清晰。
4.开启电源。调节钠灯位置,使钠灯照射在狭缝上,并且上下均匀,左右对称,光强适宜。
5.将待测液体(如蒸馏水、乙醇或其他液体)注入液槽,将液槽放置于分光计上,放置时,使液槽两侧表面基本垂直于主光轴。
6.将高频连接线的一端接入液槽盖板上的接线柱,另一端接入超声光栅仪上的输出端。
7.调节测微目镜与透镜L2的位置。使目镜中能观察到清晰的衍射条纹。
8.前后移动液槽,从目镜中观察条纹间距是否改变,若是,则改变透镜L1的位置,直到条纹间距不变。
9.微调超声光栅仪上的调频旋钮,使信号源频率与压电陶瓷片谐振频率相同,此时,衍射光谱的级次会显著增多且谱线更为明亮。微转液槽,使射于液槽的平行光束垂直于液槽,同时观察视场内的衍射光谱亮度及对称性。重复上述操作,直到从目镜中观察到清晰而对称稳定的2–4级衍射条纹为止。
10.利用测微目镜逐级测量各谱线位置读数,测量时单向转动测微目镜鼓轮,以消除转动部件的螺纹间隙产生的空程误差(例如:从–3、…、0、…、+3)。
11.自拟数据表格,记录各级各谱线的位置读数,计算各谱线衍射条纹平均间距,并计算液体中的声速。
【实验数据】(注:以下数据不作为仪器验收标准,仅供实验时参考)
单色光源波长 λ=(589.3±0.3)nm
透镜L2焦距 f=(157.0±0.4)mm
被测液体 普通水
液体温度 t= 12
= 1497+2.5×(12-25)=1464 m/s
信号频率 = 9.130 MHz
表1.衍射级次和衍射谱线位置
(0.583+0.586+…+0.584+0.590)
0.588(mm)
(m/s)
【注意事项】
1.调节个器件时,注意保持其同高共轴。
2.液槽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信号频率有影响,因此不能触碰连接液槽和信号源的导线。
3.压电陶瓷片表面与对面的液槽壁表面必须平行,此时才会形成较好的驻波,因此实验时应将液槽的上盖盖平。
4.在稳定共振时,数字频率计显示的频率应是稳定的,最多只有最末尾有1–2个单位数的变动。
5.实验时间不宜过长,因为声波在液体中的传播与液体温度有关,时间过长,液体温度可能有变化。实验时,特别注意不要使频率长时间调在高频,以免振荡线路过热。
6.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,可用酒精清洗干净,或用镜头纸擦净。
7.实验时液槽中会产生一定的热量,并导致媒质挥发,槽壁可见挥发气体凝聚,一般不影响实验结果,但须注意若液面下降太多致使压电陶瓷片外露时,应及时补充液体至正常液面线处。
8.实验完毕应将被测液体倒出,不要将压电陶瓷片长时间浸泡在液槽内。
9.计算时,透镜焦距f为透镜L2的焦距。
10.传声媒介在含有杂质时对测量结果影响较大,建议使用纯净水(市售饮用纯净水即可)、分析纯酒精、甘油等,对某些有毒副作用的媒质(如苯等),不建议学生实验使用,教师教学或科研需要时,应注意安全。
11.仪器长时间不用时,请将测微目镜收于原装小木箱中并放置干燥剂。液槽应清洗干净,自然晾干后,妥善放置,不可让灰尘等污物侵入。
【思考题】
1.为什么声光器件可相当于相位光栅?
2.怎样判断平行光束垂直入射到超生光栅面?怎样判断压电陶瓷片处于共振状态?
3.从实验数据去检验声光衍射条件是否满足。
【参考资料】
1.沈元华,陆申龙. 基础物理实验. 北京:高等教育出版社. 2003.275-281
2.光学手册. 陕西科技出版社. 1986.P.1089
【附录】
纯净液体中的声速
表中α为温度系数,对于其他温度时的声速可近似按公式计算。
上海复旦天欣科教仪器有限公司
FD-UG-A型超声光栅实验仪
装 箱 清 单
您购买的产品与装箱清单中是否符合,请验收。
日期: 年 月 日
第二篇:超声光栅实验及数据处理
超声光栅实验
北京信息科技大学物理实验室
【实验目的】
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,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 图1
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/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。
(k=0,1,2,……) (1)
光路图如图2所示。
图2 超声光栅实验光路图
实际上由于角很小,可以认为:
(2)
其中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,λ为钠光波长,所以超声波的波长
(3)
超声波在液体中的传播速度:
(4)
式中为信号源的振动频率。
【实验仪器】
实验装置主要由控制主机(超声信号源)、低压钠灯、光学导轨、光学狭缝、透镜、超声池、测微目镜以及高频连接线组成。如图3所示。
图3 超声光栅实验装置
【实验过程】
1.将器件按图3放置。低压钠灯于超声光栅试验仪相连。
2.调节狭缝与透镜L1的位置,使狭缝中心法线与透镜L1的光轴(即主光轴)重合,二者间距为透镜L1的焦距(即透镜L1射出平行光)。
3.调节透镜L2与测微目镜的高度,使二者光轴与主光轴重合。调焦目镜,使十字丝清晰。转动测微目镜鼓轮,使可移动的竖直叉丝位于主尺刻度3mm至5mm之间。
4.开启电源。调节钠灯位置,使钠灯照射在狭缝上,并且上下均匀,左右对称,光强适宜。
5.将狭缝调至水平,调节L2位置,使测微目镜中出现一条清晰的水平线。再调节测微目镜上下或左右位置,使水平线在测微目镜的视场中央。最后将狭缝转至垂直位置,这时视场中出现一条垂直亮线,且与测微目镜的垂直叉丝重合。
6.将待测液体(如蒸馏水、乙醇或其他液体)注入液槽,将液槽放置于支架上,放置时,使液槽两侧表面基本垂直于主光轴。
7.将高频连接线的一端接入液槽盖板上的接线柱,另一端接入超声光栅仪上的输出端。
8.前后移动液槽,从目镜中观察条纹间距是否改变,若是,则改变透镜L1的位置,直到条纹间距不变。
9.微调超声光栅仪上的调频旋钮,使信号源频率与压电陶瓷片谐振频率相同,此时,衍射光谱的级次会显著增多且谱线更为明亮。微转液槽,使射于液槽的平行光束垂直于液槽,同时观察视场内的衍射光谱亮度及对称性。重复上述操作,直到从目镜中观察到清晰而对称稳定的2–4级衍射条纹为止。
10.利用测微目镜逐级测量各谱线位置读数,测量时单向转动测微目镜鼓轮,以消除转动部件的螺纹间隙产生的空程误差(例如:从–3、…、0、…、+3)。
11.自拟数据表格,记录各级各谱线的位置读数,计算第k级光谱线各谱线至衍射零级光谱线的距离。
12.计算的平均值平均值及总误差。计算液体中的声速及误差,写出标准形式 ;并将测出的声速与理论值比较,得出百分误差。
【实验数据】
单色光源波长: λ±Δλ=(589.3±0.3)nm
透镜L2焦距: f±Δf=(157.0±0.4)mm
被测液体:
液体温度t:
声速理论值:
测微目镜分辨率: Δls=0.01mm
信号频率:
信号频率分辨率:Δ=0.001MHz
表1.衍射级次和衍射谱线位置
【注意事项】
1.调节个器件时,注意保持其同高共轴。
2.液槽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信号频率有影响,因此不能触碰连接液槽和信号源的导线。
3.压电陶瓷片表面与对面的液槽壁表面必须平行,此时才会形成较好的驻波,因此实验时应将液槽的上盖盖平。
4.在稳定共振时,数字频率计显示的频率应是稳定的,最多只有最末尾有1–2个单位数的变动。
5.实验时间不宜过长,因为声波在液体中的传播与液体温度有关,时间过长,液体温度可能有变化。实验时,特别注意不要使频率长时间调在高频,以免振荡线路过热。
6.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,可用酒精清洗干净,或用镜头纸擦净。
7.实验时液槽中会产生一定的热量,并导致媒质挥发,槽壁可见挥发气体凝聚,一般不影响实验结果,但须注意若液面下降太多致使压电陶瓷片外露时,应及时补充液体至正常液面线处。
8.实验完毕应将被测液体倒出,不要将压电陶瓷片长时间浸泡在液槽内。
9.计算时,透镜焦距f为透镜L2的焦距。
10.传声媒介在含有杂质时对测量结果影响较大,建议使用纯净水(市售饮用纯净水即可)、分析纯酒精、甘油等,对某些有毒副作用的媒质(如苯等),不建议学生实验使用,教师教学或科研需要时,应注意安全。
11.仪器长时间不用时,请将测微目镜收于原装小木箱中并放置干燥剂。液槽应清洗干净,自然晾干后,妥善放置,不可让灰尘等污物侵入。
【思考题】
1.为什么声光器件可相当于相位光栅?
2.怎样判断平行光束垂直入射到超声光栅面?怎样判断压电陶瓷片处于共振状态?
【附录】
纯净液体中的声速
表中α为温度系数,对于其他温度时的声速可近似按公式计算。