声光衍射2013-14陈 (1)

声光衍射法测定液体中的声速实验指导书

1 实验原理

在弹性介质中声波的传播是一种纵向机械应力波，它会引起介质密度周期性变化，即引起介质密度呈疏密交替的变化向前传播的。当这种机械波在传播中受到在一定限制时—即有一反射壁时，该波会反射。反射的波和行进的波相遇，在条件合适情况下可以产生驻波。而驻波会使得在其中的各处的介质呈周期性震荡，不同点震荡的振幅不同。有些点介质振荡振幅为零，此处介质密度相对较大；而有些点介质振荡振幅最大，此处介质密度相对较小。密度大，则折射率大，光不容易通过；密度小，则折射率小，光易通过。这时在这一介质中形成的驻波在宏观上、功能上来看具有光栅的作用。

本实验就是利用这一原理，利用水可以传递声波而设计的。在一装满水的玻璃容器中产生一超声波，而这一超声在介质中传播形成纵波，当该波行进到容器的另一壁时会发生反射；反射波与原行进波相遇而叠加、干涉产生驻波。若光通过这种介质时，就相当于通过一个透射光栅，因而会发生衍射。这种现象称为“声光衍射”，而存在着驻波的声波场的介质则称为“声光栅”，或“水声光栅”。若声波采用超声波时，也称其为“超声光栅”，如图1所示。

理论上计算表明，当在液体中形成超声驻波时，相应的

折射率变化可表示为

n (Z , t ) =n 0+∆n cos(K s x ) sin(ωs t )

(1)

n 是介质的折射率，n 0是无任何干扰时的介质折射率，△n 是折射率最大的变化量。从公式中可以看出Z 轴上的折射率呈周期性分布，折射率的大小与位置有关。某一时刻，在某些地方折射率最大为n 0+△n ，而在另一些地方折射率

最小为n 0-△n 。折射率小处光易通过，折射率大处光不易通

过。由于驻波对水的折射率的影响，在某一时刻，使得水的

不同部分透光率不同，而且透光位置与不透光

的位置是等间距的变化—即规则变化，在光照射下具有光栅的功能，如图1所示。从波动理论研究可知，相邻透光的间距是水中声波的波长λs ，所以驻波超声光栅的光栅常数就是超声

波的波长λs 。

从光学知识可知，当一束光垂直入射在超声光栅上时，出射光即为衍射光，如图2所示。图2中声光作用长度为d 。可证明超声光栅与常规的光栅一样，形成各级衍射的条件是 λs sin θk =±k λp （k=0，±1，±2，⋯⋯） （2） k 为衍射级数，θk 为第k 级衍射的衍射角，λp 为入射光波长，λs 为超声波波长。其衍射光强

分布如图3所示，L 为光栅到光屏的距离，D k 是同一级明条纹之间的距离。

Z

若入射光的波长λp 已知，依（2）式只要能知道sin θk ，就可计算出超声波波长λs 。当L>>Dk ，就有sin θk ≈ tg θk = Dk /2L，根据图3衍射光强分布图可测得+k级到-k 级条纹之间距离D k 。所以在测得光栅到衍射屏的距离L 及超声波的频率f 后，即可算出超声波在该液体中的传播速度为：

V = λs f =

2k λfL D k

（k =0，1，2，3，……；λ=650nm）

(3）

2

实验仪器

2.1

仪器清单

半导体激光器 (λp = 650nm) 、水槽、电声换能器、SLD-2声光衍射仪、500型科学工作室接口、CI6538旋转移动传感器、光具座、CI6504A 型光传感器、计算机。 仪器功能介绍

半导体激光器：发射激光的装置； 电声换能器：超声波的波源；

水槽：产生超声驻波的装置，即产生水声光栅的装置；

SLD-2声光衍射仪：声波频率发生器； 500型科学工作室接口：架起传感器与计算机之间的桥梁，将模拟信号AD 转化，存储、信号传输等功能。

CI6504A 型光传感器：将光信号转化为电压信号的装置，由光圈调节装置及增益装置组成，如图4所示：

图4 传感器通光口和增益装置

2.2

i.

光圈调节装置：由6个宽度不同的通光口

（称作光阑）构成，如图4上图所示，分别标有1、2、3 „„ 6等，用来调节进入光传感器的光通亮；序号越大，光阑越宽，通光量越大；反之越小。本实验建议选择1号光阑。 增益装置：增益装置是将光阑采集的光信号放大的装置，如图4下图所示。该装置设计为1、10、100三个档位。选择“1”档时，输入计算机的光强不变；选择“100”档时，将光信号放大100倍。所以该光传感器可用来测量微弱光信号。

ii.

iii.

光传感器的使用：光阑大小及增益开关的选择，是根据计算机显示的图样来确定的。一般来讲若图片上显示光强太小，不易测量，则首先调整光阑，从1号分别调整2、3、„„6号，不断地去尝试，直至达到显示器构图满意的光强。若调整到最大光阑6号光阑，在显示屏上仍然不能明显测出光强时，此时将光阑调到最小1号，拨大增益开关，如从1档拨到10档；观察图形，是否合适，还嫌小，接着调整光阑大小，直至得到满意的图形。本实验建议增益开关为1档。

光强分布图的采集的标准：采集的衍射光强图样的零级主峰不出现削峰（平峰），光强分布曲线呈现2级以上的光强图，光强分布曲线均匀对称。

iv.

3 内容和要求

3.1

实验内容 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4

仪器的正确调节与使用。

观察声光衍射现象及记录声光衍射光强度分布曲线。 测量并记录实验中的相关数据。 正确撰写相关实验报告。

3.2 教学要求

3.2.1 了解声光相互作用原理，观察声光衍射现象。

3.2.2 理解超声光栅形成过程、掌握超声波在水中传播速度的测量方法。

3.2.3 用Pasco 测量 2级以上明纹间距离D k 至少8次，单次测量光栅及光屏的位置X 1、X 2, 记

录超声波频率f 。 3.2.4 利用相关公式计算超声波在该液体中的传播速度及不确定度。

4 操作指导

4.1 仪器粗调

4.1.1 检查电路是否连接好；

4.1.2 观察水槽中的水位，须没过电声换能器5mm 左右； 4.1.3

仪器位置：开启激光发射器及水槽下方磁性表座开关，调整各仪器位置满足实验要求：水槽离光屏远一些（为什么？）；

4.1.4 光束、水槽和光屏位置粗调：开启激光器电源，观察光线如何穿过水槽，是否垂直？若否，粗调激光发射器、水槽的位置，使激光束垂直穿过水声光栅区域（判定两者是否垂直的准则是：光源附近无反射的光斑。），照射到光圈上，然后锁定磁性表座开关； 4.1.5 光束与水槽位置微调：调节激光器背面的上下两个旋钮（上旋钮微调激光束高度，下旋钮微调激光束水平位置。）分别调节消除光源附近反射的光斑（为什么？）。 注意：激光发射源背面的两个旋钮可微调激光束的上下、水平方向，确保激光束与超声光栅垂直。但一般只作微调，应避免大幅度调节这两个旋钮，以防光源架上的弹珠松落，无法正常使用。

4.1.6 共振频率调节：开启声光衍射仪的开关，缓慢旋转调频旋钮，同时观察衍射斑点的变化，

当衍射斑点出现最多时立刻停止调节频率。而此时的频率就是电流震荡频率与换能器的

固有频率相同时发生共振现象，产生衍射现象最为明显的时候。记录该频率，为声波所测频率。

4.1.7 调整光传感器、光源的高度，使干涉图样能恰好投射选到光阑的中部。 4.2

科学工作室500型接口的通道设置

4.2.1 检查通道的连接：检查500型科学工作室数字通道1、2是否连接“旋转移动传感器”，

模拟通道C 是否连接光传感器（这些电缆已连接好，无需连接，只需检查确认。）。

注意：若未连接好，连接时须注意，传感器连接采用梅花式插头和插座，插入时，插座和插头花纹要对准插入；若看不清楚，寻找插头上Top 标志，Top 总是在上方时才可插入。 4.2.2

科学工作室的开启：开启500型科学工作室接口电源开关(在其背面) ，则绿灯亮；双击计算机桌面上的科学工作室图标成，进入500科学工作室界面； 4.2.3 软件连接：

通道1、2的设置：鼠标选中“数码”插头图标

，按住左键不放并拖到通道1，则计算

，计算机自动寻找科学工作室接口，当计算机自检完

机自动将通道1、2选中，并弹出“选择感应器”窗口，下拉菜单，选择“旋转移动传感

器”，并在弹出的窗口中设定“分格/旋转”为1440即可； 通道C 的设置：用鼠标左键选中“模拟”插头图标出“选择感应器”窗口，选中“光传感器”即可。

4.3 图表设置：

4.3.1 将图标

拖入通道1或通道C ，下拉横坐标左下角图标

的箭头，选择“数码式输

不放并拖到通道C ，计算机自动弹

入1”的 “位置（厘米）”，则横坐标的测量量为“位置（厘米）”。 纵坐测量量标默认为“模拟输入C ”的“光强”。 4.3.2 用鼠标点 “取样选项”图标，取样周期取200HZ 左右。 4.3.3 点击“500型接口界面”右上角的“向下还原”键

，“500接口界面”将隐藏，只剩下

图

6图表设置

1

控制键界面，如图6左图所示；

4.3.4 鼠标点中图表“图形显示”状态栏，移动图表拉至使其左侧贴近控制键界面右侧边，松

鼠标。则图表紧挨着控制键界面，如图6图表设置的右图所示； 4.3.5 鼠标移到图表右下角尖锐处，光标变为“”时，按住鼠标左键将 “图表”朝45度角

斜向下拉，至占满整个桌面为止，松开鼠标。结果如图7所示。 4.4 微调：

4.4.1 从光源处观察光屏上的衍射斑点是否符合要求：光斑中间光斑是否最亮，是否有三级以

上的光斑点出现，并且左右光强是否对称。若不是的话，轻微调节电声换能器使发射面与其对面的反射面（即水槽壁）间的距离及平行度，观察光斑点，光斑点数是否最多、清晰且光斑点尽量对称分布； 4.4.2 轻微地调节激光发射背面的“水平移动旋钮”（下面的旋钮），观察衍射光斑的变化、光

强是否对称（其实，是再次稍微调整光束与光栅的垂直度）； 4.5 测量：若经以上两步调节后，目测通过水槽射出的光在光屏上衍射光斑明纹明显、斑数多，能看到若干级别的衍射斑，且衍射光斑清晰、光强分布对称。

4.5.1 调整光屏的通光阑高度，使所有光

斑完全可照射到光阑。移动光阑使其对准衍射光斑最左边（或者最右边）

的第一个光点，之后点击

键；

4.5.2 向右边（或者左边）方向移动“旋

转移动传感器” 直至通光阑扫描到所有的衍射光斑（ 注意：移动光圈的光阑时，须采集所有的衍射光斑，尽量不采集没有光斑的区域。其次，移动“旋转移动传感器”时应轻、缓慢、均匀，保证图样连线光滑，数据

图7 图表设置

2

点密集。并且整个实验期间，“旋转移动传感器”只能沿一个方向移动。），点击数据采集完毕。 4.5.3 点击图标

键，

，将图表优化；观察图表，衍射光强的分布是否均匀，左右是否对称，是

否明显观察到2级以上完整的衍射光强分布曲线图，主峰是否无削峰出现。若满足以上要求，进行下一步--5.1.1步；

4.5.4 若光强分布图左右不对称，再次微调（非常轻微）光源背后下面的旋钮（水平微调旋钮），

随时记住旋钮旋转的方向，作为下一次微调的参考方向。切记：调整一次，采集一次数据（重复4.5.1-4.5.2步骤）。 4.5.5 每微调一次，记录的数据，须均与上一次光强分布图进行比较（如何比较呢？下拉图表

旁的图标的

箭头，出现数据菜单，勾选前一组数据同时观测该数据光强图与刚采

集数据光强图比较）那个较好一些？确定如何调试“水平旋钮”的方向；

4.5.6 若有改进，重复步骤3.5.4-3.5.5不断的与前一组数据比较，如此不断地微调光束与光栅的垂直度，直至调整到满足步骤3.5.3的要求。（除了与最后一次比较的参考数据外，

不好的数据须经常整理、删除，以便保留较好的数据，方便最终查询。）

注意：移动“旋转移动传感器”时应轻、缓慢、均匀，保证图样连线光滑，数据点密集。采集的图样若发现点稀疏，应更缓慢旋转“旋转移动传感器”或着检查“取样选项”的周期设置是否正确；若出现削峰，应调节光阑大小或增益开关。

5

数据测量及打印 5.1 数据测量

5.1.1 选择光强分布最好的一组数据；点击图表左下角图标

班级、学号；点击图标5.1.2 若由于操作失误，采集

无用数据（不是衍射光强部分）太多，即使按

了“满屏”图标

，光

，输入图表名称、个人名字、

，优化图表；

强分布曲线仍然狭窄，

集中在图表的中间，而未满屏。这时，点击图表视窗左下角

图标，从左边选择第4级或者第3级暗纹处揿住鼠标左键，然后拖动光标直至到右边同样级数暗纹位置上，放鼠标，此时呈现的图样就

是你所测量的光强分布曲线图； 5.1.3 测量D k ：点击图表左下角图标

，则光标变为+字叉丝。将叉丝放在你所需测量的-k 级

峰值位置后，揿住鼠标左键拖到+k级峰值位置，鼠标一直按住在该位置静止不动，同时

读出横轴下方的数据--即为所测量峰峰值的D k ，记录该数据。重复测量8次，记录数据。 5.1.4 用光具座的米尺读出水槽位置X 1和光屏位置X 2各一次；读出声光衍射仪显示的频率f 及记录给出的光波波长λp 。 5.2 打印

5.2.1 点击工具栏的“编辑”菜单中的“复制”，将图案直接复制到Word 文档中，如图9所示。

点击主菜单“文件”，下拉菜单选择“打印”。在 “打印机”的对话框中，“名称”下拉菜单（箭头）选择“\\192.168.12.10\hp laser Jet 1000”打印机，然后“确定”，就可以打印了。若打印不出来，请进行下一步5.2.2。 5.2.2 教师使用的计算机只能共享16台，后续的同学有可能连接不上打印机。解决方法：Word

文档另存，进入物理实验中心网页存储到网络ftp://pec.jmu.edu.cn或者自带的U 盘中，再到正常连接计算机中，打开你的文档并打印。

6 实验相关数据

表1 声光衍射相关测量数据

次序 D ( ) X ( ) X ( ) f ( ) k ∆m D = ∆m x 1=∆m x 2= ∆m f = 7 预习思考题

7.1 什么叫衍射？什么是光栅衍射？

7.2 衍射与光栅衍射图像有何不同？何为驻波？在该实验里何为光栅？ 7.3 该实验主要计算公式是哪几个? 主要测量的物理量是哪些？ 7.4

PZT 换能器在本实验的作用是什么？

7.5 要调出较佳的衍射图样应如何调节？如何判定光源是否与光栅垂直了？

8 补充讨论题

8.1 8.2 8.3 8.4

采用白光为照射光和单色光照射相比，衍射图样有何不一样？ 水声光栅与一般光栅有何异同？ 是否任何超声频率皆能产生声光衍射？ 可否利用声光衍射来测定液体的浓度？

9 仪器整理

当实验数据经任课教师检查并签名后，方可关闭电源、整理仪器，且应做到： 9.1 关闭所有实验仪器电源。

9.2 科学工作室接口梅花式插头不必拔出。 9.3

签完仪器使用登记表，整理好实验仪器，方可离开实验室。

实验室打印机使用说明