海南大学物理实验C教案-超声光栅
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
超声光栅实验报告
一、实验目的与实验仪器1.实验目的（1）了解超声光栅的原理和使用；（2）利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度。
2.实验仪器GSG—1 型超声光栅声速仪、超声发生器（工作频率9~13MHz）、换能器、液槽、JJY-1’型分光仪（物镜焦距f = 168mm）、测微目镜（测微范围8mm）、放大镜、待测液及光源（钠灯或汞灯）等。
二、实验原理介质受到超声波周期性的扰动，其折射率也将发生变化，此时光通过这种介质，就像透过投射光栅一样，这种现象称为超声致光衍射，把这种载有超声波的透明介质称为超声光栅。
利用超声光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。
设超声波在液体中以平面波形式沿x方向，在x方向液体中波的形式如下：y1 = A m cos[2π·(tT s −xλs)]式中，y1为偏离平衡位置的位移量；A m为振幅，Ts为超声波周期，λs为超声波波长。
若在垂直x方向有一反射平面，则超声波被平面反射后沿x反方向传播，有如下方程：y2 = A m cos[2π·(tT s +xλs)]当正反两方向的平面波叠加形成驻波时，平衡位置的偏移量为y = y1+y2 = 2A m cos2πxλs cos2πtT s超声波形成驻波时，压缩作用使节点处折射率增大，稀疏作用使远离节点处折射率变小，这样液体折射率就出现周期性变化，平行光沿着与超声波传播方向呈一定夹角的方向通过时会被衍射。
由光栅方程可知：Asinφk = kλ式中，k为衍射级次，φk为k级衍射角。
超声光栅光路图如下所示：超声光栅实验报告在右侧望远镜中可观察到衍射条纹。
从上图中几何关系可知：tanφk = l kf当φk很小时，有sinφk = l kf式中，lk为零级衍射到k级衍射之间的距离，f为透镜焦距，则超声波波长为A = kλsinφk = kλfl k超声波在液体中传播速度为v = Aν = kλfl k ·ν = λfνΔl k式中，ν是换能器共振频率，Δl k为同一波长光相邻衍射级别衍射条纹间距。
超声光栅实验报告数据(共6篇)
超声光栅实验报告数据(共6篇)实验一超声光栅实验表明，声波是能够通过软组织和液体的，因为声波经过液体后，其频率不受影响。
因此，声波成为医学诊断领域最重要的手段之一。
本实验的目的是研究利用超声光栅进行超声波的干涉测量。
我们使用一个超声波发生器，将超声波发射至水槽中的另一个超声波接收器处。
在发射时，我们使用一个移动彩色条形图形装置，以获得超声波的移动干涉条纹，这一现象证明声波存在波动性。
通过对实验数据的处理，我们得到了干涉条纹的波长为121.03μm。
这一结果准确地说明了波长的概念，在超声光栅中，声波作为波动的媒介，在过程中具有波动性。
本实验是对超声光栅进行干涉实验研究的。
我们使用干涉仪器对激光光源和超声波光源进行干涉，获得光强分布曲线，获得了光强分布的相位差和光强分布的和平方。
实验结果表明，如果超声波光源与光源的光强分布不同，那么光强分布曲线将不同，并且波幅也会发生改变。
同时还发现，当两个光源的光强分布相同时，光强分布的干涉图也会相同。
本实验是研究超声波在双晶的干涉衍射中的应用。
我们使用超声波进行干涉衍射实验，发现了超声波的衍射效应。
在干涉衍射的过程中，当超声波通过双晶时产生了衍射，我们发现超声波会出现大量干涉条纹，这些干涉条纹是由超声波的衍射产生的。
同时，我们还发现干涉衍射效应是可以被控制的，因此可以通过调整叉栅的间距和双晶的方向来控制干涉条纹的数量和位置。
超声光栅实验表明，在介质中传输的声波会发生折射和反射现象。
本实验就是利用超声波的折射现象，研究了声波在不同介质中的折射率。
通过对不同介质中的声波传输进行实验，我们发现不同介质之间的折射率存在巨大的差异，这是因为不同介质的物理结构和物理性质不同。
同时，我们还发现折射率可以通过改变介质的相对密度和温度来调节。
本实验的目的是研究利用超声光栅的多路径衍射和干涉现象，测量介质中的声速。
我们在实验中使用了超声波发射器和接收器，测量同一位置的多条声波路径上的信号。
大学物理实验教案(光栅的衍射)
大学物理实验教案实验项目光栅的衍射教学目的1. 观察光的衍射现象，了解光栅分光的原理。
2. 测定光栅常数和光波波长。
实验原理当光射到光栅面上时，在透光狭缝处光线可透过，而在不透光处则不能透过。
若这些透光狭缝的宽为。
相邻狭缝间不透光部分的宽度为，，称为光栅常数。
本实验装置产生的光栅衍射是夫琅和费衍射，因为衍射屏（光栅）与光源及观察屏之间的距离均为无穷远（入射光栅的入射光和出射光栅的衍射光均为平行光）。
根据夫琅和费衍射理论，当波长为λ的平行光束投射到光栅平面上时，光波将在两个透光狭缝处发生衍射，所有狭缝的衍射光又彼此发生干涉，其结果是在透镜的焦平面上得到一排明亮分立的光谱线。
当平行光垂直入射时，相邻两缝对应点出射的光束的光程差为式中d为光栅常数，称为衍射角。
根据衍射光的干涉条件，当衍射角满足下式时则该衍射角方向上的光将会得到加强，叫做主极大，其它方向的光或者完全抵消，或者强度很小在焦平面上形成暗背景。
我们把时所对应的主极大分别称为中央(0级)极大，正负第一级极大，正负第二级极大，……。
如果入射光不是单色光，而是包含几种波长的光，对于同一级次光的波长λ不同，其衍射角也各不相同，于是复色光将被分解，从而在不同的地方形成不同颜色的光谱线。
但是，在中央主极大位置上，即K=0，处，各颜色的光仍重叠在一起，形成中央明条纹。
在中央条纹两侧对称分布着级光谱，各级光谱线都按波长大小的顺序依次排列成一组彩色谱线，对同一级谱线来说，λ越大，衍射角也越大，λ越小，越小，即彩色谱线排列是长波谱线在外侧，短波谱线在内侧。
如果用分光计测出，则当λ已知时d可求，当d已知时λ可求。
衍射角为其中为望远镜对准所要测定的正级谱线时，A，B两游标读数。
为望远镜对准所要测定的负级谱线时，A，B两游标读数。
教学重点与难点重点：1. 分光计的调节（望远镜调焦、望远镜光轴调节、平行光管调节等）；2. 光栅放置位置的要求；3. 衍射角测量方法。
难点：1. 分光计调节；2. 游标盘读数。
超声光栅实验报告
一、实验目的与实验仪器1.实验目的（1）了解超声光栅的原理和使用；（2）利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度。
2.实验仪器GSG—1 型超声光栅声速仪、超声发生器（工作频率9~13MHz）、换能器、液槽、JJY-1’型分光仪（物镜焦距f = 168mm）、测微目镜（测微围8mm）、放大镜、待测液及光源（钠灯或汞灯）等。
二、实验原理介质受到超声波周期性的扰动，其折射率也将发生变化，此时光通过这种介质，就像透过投射光栅一样，这种现象称为超声致光衍射，把这种载有超声波的透明介质称为超声光栅。
利用超声光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。
设超声波在液体中以平面波形式沿x方向，在x方向液体中波的形式如下：y1 = A m cos[2π·(tt t −tt t)]式中，y1为偏离平衡位置的位移量；A m为振幅，Ts为超声波周期，λs为超声波波长。
若在垂直x方向有一反射平面，则超声波被平面反射后沿x反方向传播，有如下方程：y2 = A m cos[2π·(tt t +tt t)]当正反两方向的平面波叠加形成驻波时，平衡位置的偏移量为y = y1+y2 = 2A m cos2πtt t cos2πtt t超声波形成驻波时，压缩作用使节点处折射率增大，稀疏作用使远离节点处折射率变小，这样液体折射率就出现周期性变化，平行光沿着与超声波传播方向呈一定夹角的方向通过时会被衍射。
由光栅方程可知：A sinφk = kλ式中，k为衍射级次，φk为k级衍射角。
超声光栅光路图如下所示：超声光栅实验报告在右侧望远镜中可观察到衍射条纹。
从上图中几何关系可知：tanφk = t tt当φk很小时，有sinφk = t tt式中，lk为零级衍射到k级衍射之间的距离，f为透镜焦距，则超声波波长为A = ttsin t t = tttt t超声波在液体中传播速度为v = Aν = tttt t ·ν = tttΔt t式中，ν是换能器共振频率，Δt t为同一波长光相邻衍射级别衍射条纹间距。
(推荐)超声光栅
实验47 利用超声光栅测定液体中的声速1921年法国物理学家布里渊（L.Brillouin 1889-1969）曾预言液体中的高频声波能使可见光产生衍射，1935年拉曼（C.V.Raman 1888-1970）和奈斯（Nath ）证实了布里渊的设想。
【实验目的】1． 学习测量声速的一种方法 2． 了解超声光栅的衍射原理3． 熟悉仪器调整【实验原理】 众所周知，声波最显著的特征是它的波动性，它在盛有液体的玻璃槽中传播时，液体将被周期性压缩、膨胀，形成疏密波。
声波在传播方向被垂直端面反射，它又会反向传播。
当玻璃槽的宽度恰当时，入射波和反射波会叠加形成稳定的驻波，由于驻波的振幅是单一行波振幅的2倍，因而驻波加剧了液体的疏密变化程度，如图47-1所示。
描述声波有三个特征量：波长Λ，声速u ，频率ν。
它们之间满足关系u ＝Λ*ν。
一般我们事先知道声波频率ν，因此求声速实际上是求波长Λ。
对于疏密波，波长Λ等于相邻两密部的距离。
布里渊认为，一个受超声波扰动的液体很像一个左右摆动的平面透射光栅，它的密部就相当于平面光栅上的刻痕，不易透光；疏部就相当于平面光栅上相邻两刻痕之间的透光部分，它就是一个液体光栅，或称超声光栅，超声波波长Λ正是光栅常数（a +b ）。
从图47-2可知，平面光栅的左右摆动并不影响衍射条纹的位置，因为各级衍射条纹完全由光栅方程描述，而不是由光栅位置确定。
因此当平行光沿着垂直于超声波传播方向通过受超声波扰动的液体时，必将发生衍射，并且可以通过测量衍射条纹的位置来确定超声波波长Λ，即Λsin φ＝k （k =0,±1, ±2, …）其中k 为衍射条纹的级次，φ为k 级条纹的衍射角，为平行光波长。
当φ小于50时Λ≈k tg φ= k f l k = f l 1 = f Δ l其中f 为透镜的焦距，l k 为k 级条纹与0级条纹的距离，l 1为1级条纹与0级条纹的距离。
由于单次测量随机误差较大，因此实验中常常进行多次测量，即测出各级衍射条纹的位置坐a b ϕ(a +b )sin ϕa b平 行 光 图47-2 平面透射光栅的衍射 图47-1 液体在不同时刻的疏密发布波节 t =3T /4反 射面 x y yx t =0t =T /4t =T /2 t =T 密 疏 疏 密 疏密 疏 密 疏 密 波节 波节 波节 Λ/2 Λ/2 Λ/2 Λ/2 波节标，然后采用逐差法求出各级衍射条纹的平均间隔Δ l，用Δ l代替l1。
超声光栅实验
实验项目： 实验目的：超声光栅实验（综合设计 2-1） 1、 了解超声光栅产生原理。
2、 了解声波如何对光信号进行调制。
实验仪器： 实验原理：3、 测量液体（非电解质溶液）中的声速。
JJY 分光计, WSG-I 超声光栅声速仪, 汞灯 仪器性能指标： 1． 输出电压 220V 50Hz 2． 输出信号频率：8~12MHz 3． 工作频率 9.5~11.5MHz 4． 测微目镜测量范围：8mm 测量精度 0.01mm超声波传播时，若前进波被一个平面反射，会反向传播。
在一定条件下入射波与反射波 叠加形成超声频率的纵向振动驻波。
当单色平行光λ 沿垂直于超声波传播方向通过疏密 相间的液体时，因折射率的周期性变化使光波波阵面产生相应的相位差，经透镜聚焦出 现衍射条纹。
该现象与平行光通过透射光栅的情形相似。
因为超声波波长很短，只要超 声池的宽度能够维持平面波，池中液体就相当于一个衍射光栅。
行波波长 A 相当于光 栅常数。
由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。
当满足声光喇曼－奈斯衍射条件<<1 时，该衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程：（式中 k 为衍射级次， 为衍射角）当 很小时有： 其中 为衍射光谱零级至 k 级的距离；f 为望远镜物镜焦距。
所以超声波波长：实验步骤：超声波在液体中传播的声速： V=Av= 率， 为同一色光衍射条纹间距λ 为光波波长， 为振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频1、分光计调整至待测状态：用自准直法调节望远镜聚焦于无穷远、望远镜光轴与分光计主轴垂直、平行 光管与望远镜同轴并出射平行光，观察望远镜光轴与载物台台面平行。
目镜调焦使看清分划板刻线，并 以平行光管出射的平行光为准，调节望远镜使观察到的狭缝清晰，狭缝应调至最小，实验过程中无需调 节；2、采用低压汞灯作光源，汞灯波长λ （其不确定度忽略不计）分别为：蓝光 435.8nm，绿光 546.1nm， 黄光 578.0nm（双黄线平均波长）。
超声光栅测液体中的声速
超声光栅测液体中的声速【实验目的】1.了解超声光栅产生的原理。
2.了解声波如何对光信号进行调制3.通过对液体（非电解质溶液）中的声速的测定，加深对其中声学和光学物理概念的理解。
【实验原理】1.超声光栅光波在介质中传播时被超声衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应）。
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变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化，形成疏密波。
此时如有平行单色光沿垂直超声波方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射，这一作用，类似于光栅，所以叫超声光栅。
超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。
在一定条件下前进波与反射波可以形成驻波。
由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区，而相邻波节处变为密集区。
在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作用使液体折射率增加，在距离等于波长Ａ的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图（１）所示。
图（１）２．超声光栅册液体中的声速如图２(ａ)所示，在透明介质中，有一束超声波沿方向传播，另一束平行光垂直于超声波传播方向(方向)入射到介质中，当光波从声束区中出射时，就会产生衍射现象。
图２实际上由于声波是弹性纵波，它的存在会使介质(如纯水)密度在时间和空间上发生周期性变化如图２(a)，即()。
ρρ=t z ,＋)2sin(Z A t S πωρ-∆ （１－１）式中：z 是沿声波传播方向的空间坐标，是t 时刻z 处的介质密度，为没有超声波存在时的介质密度，叫是超声波的角频率，Ａ是超声波波长，是密度变化的幅度。
因此介质的折射率随之发生相应变化，即()。
n t z n =,＋)2sin(Z A t n S πω-∆ （１－２）式中：为平均折射率，为折射率变化的幅度。
光栅衍射与超声光栅实验报告
光栅衍射与超声光栅实验报告一、实验目的本实验旨在通过光栅衍射与超声光栅的实验，掌握光学干涉和衍射的基本原理，了解超声波的基本特性，并掌握超声光栅的工作原理。
二、实验原理1. 光栅衍射光栅是由许多平行等距的透明或不透明条纹组成，当入射光线通过光栅时，会发生衍射现象。
在垂直于条纹方向上观察，则会出现一系列亮暗相间的条纹。
这些条纹称为衍射条纹，它们是由入射光经过不同路径差后叠加而成。
2. 超声波超声波是指频率高于20kHz的机械波。
它具有穿透力强、反射性能好、传播速度快等特点，在医学、工业等领域有广泛应用。
3. 超声光栅超声光栅是利用超声波在介质中传播时所产生的周期性压缩膨胀作用来形成一种类似于光学中衍射格子的装置。
当超声波通过介质时，会在介质中形成一系列压缩膨胀的波形，这些波形相互叠加形成了一个周期性的压缩膨胀序列，即超声光栅。
三、实验步骤1. 光栅衍射实验a. 将光源置于光栅的一侧，调整光源位置和角度使得入射光线垂直于光栅表面。
b. 在距离光源较远的位置放置屏幕，调整屏幕位置使得衍射条纹清晰可见。
c. 更换不同间距和条纹数的光栅，观察衍射条纹的变化。
2. 超声光栅实验a. 将超声发生器连接至超声探头，并将探头放置在水中。
b. 将激励信号输入超声发生器，并调节频率和振幅使得超声波在水中传播。
c. 在水中放置一个透明平板，并观察通过平板后形成的超声光栅。
四、实验结果与分析1. 光栅衍射实验结果通过观察不同间距和条纹数的光栅，在垂直于条纹方向上可以看到一系列亮暗相间的条纹。
当光栅间距增大时，衍射条纹间距也随之增大；当光栅条纹数增多时，衍射条纹也会变得更加密集。
2. 超声光栅实验结果通过观察透明平板后形成的超声光栅，可以看到一系列周期性的压缩膨胀序列。
这些序列是由超声波在水中传播时所产生的压缩膨胀作用形成的。
五、实验总结通过本次实验，我们掌握了光学干涉和衍射的基本原理，了解了超声波的基本特性，并掌握了超声光栅的工作原理。
超声光栅测液体中的声速实验报告
实验报告实验名称：超声光栅测液体中的声速专业班级：组别：姓名：学号：合作者：日期：2.根据表1中的测量数据得表2表2衍射条纹的平均间距与对应的声速mm/x ∆30--x x 21--x x 12--x x 03x x -x∆)s (m -1⋅υ)s (m 1-⋅声V 黄(y) 2.189 2.190 2.162 2.0810.71851427.741430.62绿(g) 2.027 2.041 2.000 2.0160.67371438.65蓝(b)1.6681.6171.6401.5860.54261425.46（1）声V 的计算过程)s (m 74.1427100.7185101701010.4410578.03--36-9=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=y y x f νλv )s (m 1438.65100.6737101701010.4410546.13--36-9=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=g x f νλg v )s m 1425.46(100.5426101701010.4410435.83--36-9=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=b b x f νλv )s m (62.430131425.461438.651427.743=++=++=b g y v v v V （2）V U 的计算过程z0.02MH U v =∆=仪4mm00.0=∆=仪x U )mm (00094.0004.0626212822=⨯===∆x x x U U U 根据，22⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆-+⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆x U v U U x v υυ)s m (3122.37185.00.0009410.440.021427.7422=⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=yU υ颜色平行光通过透射光栅的情形相似。
因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波，槽中的液体就相当于衍射光栅。
2.如何解释本实验衍射的中央条纹与各级谱线的距离随超声信号源频率的高低变化而增加或减小的现象？答：由光栅方程：)m/s (sin )(λθk b a ±=+可知：频率越高声波长越短，光栅常数愈小，衍射角越大条纹间距增加。
《大学物理实验》教案实验22衍射光栅
《大学物理实验》教案实验22衍射光栅第一篇：《大学物理实验》教案实验22 衍射光栅实验 22 衍射光栅一、实验目的：1.观察光栅的衍射光谱，理解光栅衍射基本规律。
2.进一步熟悉分光计的调节和使用。
3.测定光栅常数和汞原子光谱部分特征波长。
二、实验仪器：分光计、光栅、汞灯。
三、实验原理及过程简述：1.衍射光栅、光栅常数光栅是由大量相互平行、等宽、等距的狭缝（或刻痕）构成。
其示意图如图 1 所示。
图2光栅上若刻痕宽度为 a，刻痕间距为 b，则 d＝a 十 b 称为光栅常数，它是光栅基本参数之一。
2.光栅方程、光栅光谱根据夫琅和费光栅衍射理论，当一束平行单色光垂直入射到光栅平面上时，光波将发生衍射，凡衍射角满足光栅方程：图1，k 0，± 1，± 2...（1）时，光会加强。
式中λ为单色光波长，k 是明条纹级数。
衍射后的光波经透镜会聚后，在焦平面上将形成分隔得较远的一系列对称分布的明条纹，如图2 所示。
如果人射光波中包含有几种不同波长的复色光，则经光栅衍射后，不同波长光的同一级（k）明条纹将按一定次序排列，形成彩色谱线，称为该入射光源的衍射光谱。
图3 是普0通低压汞灯的第一级衍射光谱。
它每一级光谱中有四条特征谱线：紫色λ14358 A ；绿色λ 0 0 025461 A ；黄色两条λ3＝5770 A 和λ45791 A。
3.光栅常数与汞灯特征谱线波长的测量由方程（1）可知，若光垂直入射到光栅上，而第一级光谱中波长λ1 已知，则测出它相应的衍射角为1，就可算出光栅常数d；反之，若光栅常数已知，则可由式（1）测出光源发射的各特征谱线的波长 i。
角的测量可由分光计进行。
4．实验内容与步骤a.分光计调整与汞灯衍射光谱观察（1）调整好分光计。
（2）将光栅按图 4 所示位置放于载物台上。
通过调平螺丝 a 1 或a 3 使光栅平面与平行光管光轴垂直。
然后放开望远镜制动螺丝，转动望远镜观察汞灯衍射光谱，中央（K 0）零级为白色，望远镜转至左、右两边时，均可看到分立的四条彩色谱线。
超声光栅
超声光栅的原理与制作研究超声光栅是一种特殊的光栅，在大学物理实验教学中，在光信息实验中，在研究声对光的调制中，有着特殊的作用。
超声光栅的原理如图1所示，它由高频信号发生器、频率计、频率调节器、超声换能器、液体介质和液槽组成。
各部分的作用如下：高频信号发生器产生一个超声频率的交变电压信号，频率计是用来测量这个交变信号频率的，而调节器则可以在一定范围内改变交变电压信号的频率和振幅。
超声换能器可以将高频交变电压信号转变为同频率的机械振动，从而产生超声波发射出去。
超声波必须对液体介质作用才能形成超声光栅，液槽是用来装载液体的，并且可以提供超声波的反射面，以便于形成超声驻波。
超声光栅的形成机理是：超声波在液体中时以弹性纵波的形式传播，它使液体的密度在超声波传播方向上发生周期性的大小变化，即密度呈现“密集——稀疏——密集…”的周期性变化，从而使液体的折射率也发生周期性变化。
当有光线垂直于声波传播方向通过液体时，不同位置的光波经历的光程不同，原来是平面波的光波经过液体后，平面波变为弯曲的非平面波，与位相光栅对光的作用相类似，如图2所示。
这种有超声波场的液体就被称为超声光栅，光线通过超声光栅时也会发生光栅衍射现象，此种衍射被称为声光衍射。
超声光栅的光栅常数就是液体折射率在空间变化的周期，即超声波的波长。
声光衍射同样满足光栅方程： λθλk Sin k s = （．．．） ,2,1,0±±=k 上式中λs 为超声波波长，λ为光波波长，θk 为第k 级衍射光的衍射角。
超声光栅与普通刻线光栅或全息光栅的不同之处主要有两点：第一是光栅形成的机理不同；第二是普通的光栅其光栅常数是固定不变的，而超声光栅的光栅常数是随超声波的波长变化的。
超声波在液体中形成超声光栅的模式有两种，一种是超声行波光栅，另一种是超声驻波光栅。
当液体内只有换能器发射的超声波时，形成的超声光栅称为行波光栅，其结构如图3（a ）所示，在换能器的对面安装有吸收声波的材料，液体中只有换能器发射的超声波，没有反射波。
超声光栅实验指导书
海南大学物理实验室开放性自选实验项目补充讲义超声光栅应用研究实验指导书海南大学物理实验室注意事项1．进入实验室不可移动、摆弄实验台/桌上的所有仪器用具。
以免拉断仪器间的连接电缆/线、改变教师设置好的各种实验参数！2．实验结束后必需经任课教师检查你所使用的实验仪器与用具，器具完好无损方可离开实验室！3．每套实验仪器的光学元件（透镜、待测液体盒及其振动片等等）与信号源均为单配，实验过程中不可交换使用！4．液盒内液体不可超过振动片的两个接线柱，调节液体盒方位与高低时应用手托住液盒待固定支架螺丝拧紧后方可放手。
5．不可用手触摸光学元件表面。
6．不可反复开启钠灯电源，以免影响灯管使用寿命。
一：【实验目的】1． 了解声光效应的原理；2． 掌握利用声光效应测定液体中声速的方法。
二：【实验背景】1922年布里渊（L ·Brillouin）曾预言，当高频声波在液体在传播时，如果有可见光通过该液体，可见光将产生衍射效应。
这一预言在10年后被验证，这一现象被称作声光效应。
1935年，拉曼（Raman ）和奈斯（Nath ）对这一效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声光栅。
三：【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。
大学物理实验报告系列之超声光栅
大学物理实验报告【实验名称】超声光栅
【实验目的】
1．理解声光调制的理论；
2．了解并学习超声光栅声速仪的原理和使用；
3. 利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度。
【实验仪器】
WSG—1型超声光栅声速仪（信号源、液体槽、锆钛酸铝陶瓷片），分光计，测微目镜，低压汞灯
【实验原理】
超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应地作周期性的变化，形成疏密波。
此时，如有平行单色光垂直于超声波传播方向通过这疏密相同的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声衍射。
其中k
L
为衍射光谱零级至K级的距离；
f
为透镜（L2）的焦距（JJY分光计170
f mm
=
）。
所以超声波波长：
sin
k k k
K K f f
A
L L
λλλ
φ
===
∆
超声波在液体中的传播速度：k
f
v A
L
λγ
γ
==
∆
式中
γ
为振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率。
k
L
∆
为相邻两条同色衍射条纹之间的距离。
测微目镜原理图。
实验27超声光栅衍射实验报告
实验27超声光栅衍射实验报告实验27 超声光栅衍射实验报告【实验⽬的】1.掌握超声光栅原理2.学会利⽤超声光栅测量液体中的声速【实验仪器】超声源，玻璃⽫，激光器，光具座，会聚透镜，超声探头⽀架，⾦属⽩屏。
【原理概述】1.超声光栅具有弹性纵向的平⾯超声波，在液体介质中传播时，其声压时液体分⼦产⽣疏密交叠的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化。
这种疏密波也是折射率梯度传播的⼀种模式，形成的层次结构就是超声波的图像。
光从垂直⽅向透射过超声场后，会产⽣折射和衍射。
这⼀作⽤，类似光栅，所以叫做超声光栅。
超声光栅原理图2.超声波的速度与介质的性质超声波在介质中传播的性质，⽤声速和衰减度系数两个基本量来表述。
超声波速度不仅与声压(p)、密度(ρ)、折射率(n)有关，⽽且还受到其他物理性质的影响，因此声速与许多重要的物理参数有关。
在正弦变化的声场中，超声波运动的速度，声压以及介质的密度和折射率的变化规律，都是类似的，都可以⽤波动⽅程表⽰。
描述超声场中折射率周期性变化的表达式为：)cos(),(0ky t n n t y n -?+=ω (1)其中ω为超声波的圆频率，k 为波⽮量。
3、超声的驻波和⾏波正弦超声平⾯波由垂直于玻璃⽫底⾯的⽅向射于液体中，则声场中的压⼒波会被底⾯反射，形成与⼊射波同频率的⼀列反射波，这两列波的声压可分别表⽰为：=?=--)()(ky t i rA r ky t i iA eP P e P Pi ωω (2)两列同频率的波相向传播时，依叠加原理，合成声场的声压为r i P P P +=，即 )()(cos 2ky t i rA iA ti i e P P kyeP P --+=ωω (3)由上式可见，合成声场由两部分组成，第⼀项代表驻波场，第⼆项表⽰在y ⽅向传播的平⾯波，其振幅为原先两列波振幅之差。
若实验中弹性的平⾯波得到完全反射，则式(3)右边第⼆项可以略去，合成的超声波就是⼀个纯粹的驻波场。
海南大学物理实验超声光栅实验自测习题解析
下图中测微目镜的读数为( )
<p>下图中测微目
5.879mm
4.919mm
4.879mm
5.919mm
下图中测微目镜的读数为( )
<p>下图中测微目
5.168mm
4.16mm
4.169mm
4.043mm
5.16mm
5.043mm
测微目镜结构如图所示，左边是测量装置，右边是读数装置，在目镜头前方有一块刻有十字叉丝的活动玻璃板，旋转右边的读数鼓轮，则活动玻璃板左右移动，用十字叉丝的竖丝对准衍射条纹主明纹，即可读出该主明纹的位置读数。
读数鼓轮上有100个刻度，将鼓轮旋转一整圈，则鼓轮端面在固定套筒(主尺)上走动1mm，即鼓轮上的1个刻度对应0.01mm。
仔细观察下图，采用该测微目镜测量衍射条纹主明纹位置时，需注意( )
<p>测微目镜结构
和平时用的直尺一样，读数起点在主尺左边
不同于平时用的直尺，读数起点在主尺右边，以mm为单位，记录的数据保留到3位小数
以mm为单位，记录的数据保留到2位小数，以mm为单位，记录的数据保留到4位小数
为了精确测得相邻主明纹位置，只能一个方向旋转鼓轮，使十字叉丝的竖丝依次与主明纹对齐为了精确测得主明纹位置，应仔细地来回旋转读数鼓轮，使十字叉丝的竖丝与主明纹严格对齐，
<p>驻波是振幅、
下图中测微目镜的读数为( )
<p>下图中测微目
5.168mm。
实验20 超声光栅测声速
实验20 超声光栅测声速本实验隶属声光效应实验范畴。
在光路中放置一产生声波振动的媒介实现对透过光的调制，而且调制效果可以与声信号存在可计算的联络，了解如何对光信号进行调制，以及实现这一过程的手段，同时也为测量液体（非电解质溶液）中的声速提供另一种思路和方法。
实验目的和学习要求1．了解超声光栅产生的原理。
2．了解声波如何对光信号进行调制。
3．通过对液体（非电解质溶液）中的声速的测定，加深对其概念的理解。
实验原理超声波是一种频率高于人耳能感觉到的声波频率（约在16—120000Hz之间）的机械波，即频率高于20KHz的声波就是超声波。
根据波动理论，超声波的波长Λ，频率γ和速度V三者之间亦有如下的关系：V＝Λ·γ。
本实验就是利用已知频率γ的超声辐射器向传播超声的介质（液体）发射超声波，然后用光学方法间接地测出它的波长Λ从而求出超声波在该介质中的传播速度V。
精确测量液体中的超声速度对研究该液体的物理性能、分子结构、声光作用的机理以及声阻抗的测量等都是很有意义的。
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（亦称声光效应）。
产生超声波的方法很多，较常用的是利用某些晶体的压电效应来产生超声波，本实验中采用锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT晶片）。
超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，形成疏密波。
稀疏作用会使液体密度减小、折射率减小，压缩作用会使液体密度增大、折射率增大。
因此液体密度的周期性变化，必然导致其折射率也相应地作周期性变化。
如图20-1所示。
此时，如有平行单色光沿垂直于超声波传播方向通过这疏密相间的液体时，就相当于通过一个透射光栅，因而会发生衍射，这种衍射称为“声光衍射”。
存在声波场的介质则称为“声光栅”；当采用超声波时，通常就称为“超声光栅”。
图20-1 实验原理示意图超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。
在一定条件下前进波与反射波叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。
光栅检测课程设计
光栅检测课程设计一、教学目标本课程的教学目标是让学生掌握光栅检测的基本原理、方法和应用。
通过本课程的学习，学生应能够：1.描述光栅检测的原理，了解光栅检测的物理基础和数学模型。
2.分析光栅检测系统的工作原理，掌握光栅检测技术的基本操作和实验方法。
3.应用光栅检测技术解决实际问题，能够进行光栅参数的测量和误差分析。
在技能目标方面，学生应能够：1.熟练操作光栅检测设备，进行实验操作和数据处理。
2.运用光栅检测技术进行工程测量和质量控制。
在情感态度价值观目标方面，学生应能够：1.认识光栅检测技术在工程和科学研究中的重要性，增强对科学技术的兴趣和好奇心。
2.培养学生的团队合作意识和实践能力，提高学生的创新能力和解决实际问题的能力。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括光栅检测的基本原理、光栅检测系统的组成和工作原理、光栅检测技术的应用等。
具体内容包括：1.光栅检测的物理基础和数学模型，光栅的分类和特性，光栅检测的原理和特点。
2.光栅检测系统的组成，包括光栅、光源、探测器等，光栅检测系统的性能指标和参数。
3.光栅检测技术的实验方法，包括光栅常数测量、光栅光谱分析、光栅图像处理等。
4.光栅检测技术在工程和科学研究中的应用，包括光栅测量仪器的使用、光栅在精密测量和质量控制中的应用等。
三、教学方法为了实现本课程的教学目标，我们将采用多种教学方法，包括讲授法、实验法、案例分析法等。
具体方法如下：1.讲授法：通过教师的讲解，使学生了解光栅检测的基本原理和概念，掌握光栅检测系统的组成和工作原理。
2.实验法：通过实验操作和数据处理，使学生掌握光栅检测技术的实验方法和操作技巧。
3.案例分析法：通过分析实际案例，使学生了解光栅检测技术在工程和科学研究中的应用，提高学生的解决实际问题的能力。
四、教学资源为了支持本课程的教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：1.教材：《光栅检测技术》教材，用于学生学习和参考。
2.实验设备：光栅检测仪器和设备，用于学生的实验操作和数据处理。
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物理·文明
1、 压电陶瓷换能器与超声波 利用压电陶瓷逆效应，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（>20000Hz)，
物理·文明 2、 超声光栅形成原理
(1) 超声波驻波
超声波纵波在盛有液体的玻璃槽中传播时，液体被周期性地压缩与 膨胀，其密度会发生周期性的变化，形成疏密波。稀疏作用会使液体 密度减小、折射率减小。压缩作用会使液体密度增大、折射率增大， 因此液体密度的周期变化，导致其折射率也呈周期变化。若超声行波 以平面波的形式沿X轴正方向传播时，波动方程可描述为
y 2 A cos 2 π
x
cos 2 π t
物理·文明
1.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 ,而相邻两节点附近成稀疏区；液体 密度变化周期与疏密周期同为λ。
图1
初始时刻的波形图
1.在时刻t+1/4，介质中各点均处于平 衡位置，液体的密度处于均匀状态 ；
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超声光栅测量液体中的声速
物理·文明教学参考资料 1.：/搜索“1218953220海南大学”
2.爱问共享资料：/ 3.海南大学网络教学平台: 大学物理C（主讲教师：陈老师）： /eol/homepage/common/open course/course/layout/page/index.jsp?courseId=6058
4.海南大学物理实验中心网址：http://125.217.98.161:8032/
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学号 000000
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海南大学 大学物理实验C 课程教案
反射板
反射板
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(2) 超声光栅
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。 在透明介质中，有一束 超声波沿着oz方向传播， 另一束平行光垂直于超声 波传播方向（oy方向）入 射到介质中，当光波从声 束区中出射时，就会产生 衍射现象。 在距离等于波长的两点，液体的密度相同，折射率也相 同，此时，如有平行单色光沿垂直于超声波传播方向通过 这疏密相同的液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵 面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹，相当 于一光栅，其光栅常数为λ，称为超声光栅。
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3 、光栅方程
光栅方程
d sin k , k 0,1,2,3 明纹 d 若k k , k 0,1,2, 缺级 a
d sin k k
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本实验中
光栅常数为超声波长s lk sin k lk
注意：1、测微 目镜的竖丝或叉 丝交点只能在量 程范围内（一般 取２~８mm）移 动； 2、测量时，只 能沿一个方向旋 转读数鼓轮，避 免空程误差；
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三、实验原理
• 压电效应：对某些电介质晶体施加机械应力时，晶体因内部 正负电荷中心发生相对位移而产生极化，导致晶体两端面上 出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比。这种 没有电场作用，由机械应力的作用而使电介质晶体产生极化 并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。当机械应力由压 应力变成拉应力时，电荷符号也改变。 • 电致伸缩效应：与压电效应相反，将具有压电效应的电介质 晶体置于电场中，电场的作用引起电介质内部正负电荷中心 产生相对位移，而这一位移又导致介质晶体发生形变，晶体 的这种由外加电场产生形变的现象称为逆压电效应也叫电致 伸缩效应。晶体形变的大小与外加电场强度成正比，当电场 反向时，形变也改变符号。
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例：为了测量干涉条纹中的10个明（或 暗）条纹距离，可以使叉丝和竖丝对准 第n个明（或暗）条纹，先读毫米标尺 上的整数，再加上鼓轮上的小数，即为 该条纹的位置A。再慢慢移动叉丝和竖 丝，对准第n+10个明（或暗）条纹，得 到位置B。若A=2.735mm, B=4.972mm, 则11个条纹间的10个距离就是: 10△x = B-A = 4.972-2.375 = 2.237mm。
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9．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。 10．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（使衍射的谱线出 现间距最大，且最清晰的状态）记录此时的信号源频 率。 11.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）。
入射光波长 取589.30nm
lk 为衍射零级谱线至第k级谱线的距离 f 为凸透镜2的焦距
k f lk
s 为超声波波长
V 为超声波在液体中的传播速度
为信号源的振动频率
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四、实验步骤与内容 1.将器件按图放置。
2.调节钠灯与狭缝高度；点亮钠灯，照亮狭缝。 3.调节狭缝与透镜L1的位置，使狭缝与光具座垂直 （光具座水平，狭缝竖直），狭缝中心法线与透镜L1 的光轴(即主光轴)重合，且与光具座平行，二者间距 为透镜L1的焦距（即透镜L1射出平行光）。
适用专业：电气、农机、机械、生物科学、交通、通信工程 适用时间：2014年3月——2014年6月
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实验简介
1922年布里渊（L · Brillouin）曾预言，当高频 声波在液体在传播时，如果有可见光通过该液体， 可见光将产生衍射效应。这一预言在10年后被验证， 这一现象被称作声光效应。1935年，拉曼（Raman） 和奈斯（Nath）对这一效应进行研究发现，在一定 条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光 栅，所以也称为液体中的超声光栅。
1
20℃时，水（H2O）中标准声速vS=1480.0m/s
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数据处理
1 l k L k L k 1 L k L k 2 2 L k L k 3 3 12
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589.3 109 157.0 103 9.130 106 V 1437(m/s) 3 lk 0.588 10
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声光效应的应用
☆ 激光雷达扫描、电视大屏幕显示器的扫描、高 清晰图像传真、光信息储存。 ☆ 用声光效应制成声光器件，如声光调制器、声光偏 转器，在激光技术、光信号处理和集成光通信技术 等方面有着重要的应用。
物理·文明
一、实验目的 1.了解超声致光衍射的原理; 2. 掌握利用声光效应测定液体中声速的方法； 3.掌握测微目镜的使用方法
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五、数据记录及处理
衍射级数k
谱线 位置 读数 左→右
-3 -2 -1 0
1
2
3
(mm) 右→左 备注：入射光波长 ：589.3nm， 信号源的振动频率 Hz ： 凸透镜2的焦距f ： mm； 实验室水温： ℃
Vt V0 (t t 0 )
2.5m / s K
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4.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。 5.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。 6．将待测液体（自来水）注入液槽，将液槽放置于 光具座载物台上，放置时，使液槽两侧表面基本垂直 于主光轴（液槽内超声波传播方向垂直）。 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．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。
图2
T/4周期时刻的波形图
图3
T/2周期时刻的波形图
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。
物理·文明 从图1-图3中我们 可以看到驻波在T/2个 周期内各质点处密度 变化情况，从图中看 出奇数点不发生振动， 这样的点为波节，且 波节与波节处相距 λ/2，相邻节点处的 密度变化不一致，而 相隔一个节点处密度 变化一致。这就说明 密度具有相同变化周 期的最小间隔是λ。
f
20℃时，水（H2O）中标准声速vS=1480.0m/s
Vt V0 (t t 0 ) = 1480＋2.5×（13.7－20） ＝1464 m/s
E Vt V Vt 100% 1464 1437 1464 100% 1.8%
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思考题
1．驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光 栅的光栅常数等于超声波的波长？ 2. 测微目镜测量谱线位置读数时，为什么只能沿 一个方向旋转？ 3. 如果在目镜中观察不到衍射条纹，请分析其原因。 4. 如果在目镜中观察到的衍射条纹条数过少，请分 析其原因。
物理·文明
二、实验仪器 FB760-8 型 超声光栅实验仪（数字显示高频功率信 号源，内装压电陶瓷片PZT的液槽）、钠光灯、狭 缝、凸透镜1、凸透镜2、测微目镜、水
物理·文明
（a）是一种常见的丝杠式测微目镜的结构剖面图。鼓轮转动 时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动；鼓轮反转时，叉丝玻片 因受弹簧恢复力作用而反向移动。有100个分格的鼓轮每转一 周，叉丝移动1mm，所以鼓轮上的最小刻度为0.01mm。（b） 表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米尺、可移动分划板 上的叉丝与竖丝以及被观测的几条干涉条纹。
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注意事项
1.调节个器件时，注意保持其同高共轴同轴等高的调节，以凸 透镜1光轴为主光轴； 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。