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1、.超声波在液体中的传播速度与温度的关系 Vol.28No.5物理实验第28卷第5期 PHYSICSEXPERIMENTATION2008年5月May,2008b5E2RGbCAP 超声波在液体中的传播速度与温度的关系 岑敏锐 ()武汉工程大学理学院,湖北武汉430073 摘要:根据超声光栅的原理,在分光计上测出了超声波在不同温度下的纯净水中的传播速度.通过最小二乘法进p1EanqFDPw 行数据拟合,得到了传播速度与温度的近似公式. 关键词:超声波;传播速度;超声光栅;分光计 ()文章编号:100524642200805200
2、39203中图分类号:O422.1文献标识码:ADXDiTa9E3d 1引言 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 这疏密相间的液体时,就会被衍射,这一作用,类 似光栅,这种实验装置称为“超声光栅”.根据超图1超声光栅的形成原理图声光栅的原理,可以在分光计上进行声速测量.RTCrpUDGiT 2.2超声光栅的衍射原理用不同温度的纯净水做实验,就可以得到其传播... λ波长为的单色平行光沿着垂直于
3、超声波传速度与温度的关系.本文介绍了利用超声光栅测 播方向通过上述液体时,因折射率的周期变化使量声速的原理,然后根据测量结果进行数据拟合, 光波的波阵面产生了相应的相位差,经透镜聚焦得到了传播速度与温度的近似公式. 出现衍射条纹.这种现象与平行光通过透射光栅2超声光栅测量声速的原理的情形相似.因为超声波的波长很短,只要盛装5PCzVD7HxA (液体的液体槽的宽度能够维持平面波宽度为2.1超声光栅的形成jLBHrnAILg )l,槽中的液体就相当于衍射光栅.图1中行波超声波传播时,如前进波被一个平面反射,会xHAQX74J0X 的波
4、长A相当于光栅常量.由超声波在液体中产反向传播.在一定条件下前进波与反射波叠加而 生的光栅作用称为超声光栅.当满足声光拉曼2形成超声频率的纵向振动驻波.由于驻波的振幅2πλ奈斯衍射条件2l/Aν1时,这种衍射相似于平可以达到单一行波的2倍,加剧了波源和反射面[123]面光栅衍射,可得如下光栅方程之间液体的疏密变化程度.某时刻,纵驻波的任LDAYtRyKfE φλ()Asin=k,1k一波节两边的质点都涌向这个节点,使该节点附 φ式中k为衍射级次,为零级与k级间夹角.k近成为质点密集区,而相邻的波节处为质点稀疏... 2.3用超声光栅衍射
5、测量声速原理区;半个周期后,这个节点附近的质点向两边散开 本实验装置如图2所示,在已调节好的分光变为稀疏区,相邻波节处变为密集区.在这些驻 λ计上放置PZT液槽,用波长为的单色光源与可波中稀疏作用使液体折射率减小,而压缩作用使()调狭缝S和准直管中的会聚透镜L组成平行1液体折射率增大,在距离等于A的两点,液体的光系统.密度相同,折射率也相等,如图1所示.Zzz6ZB2Ltk 收稿日期:2007210217;修改日期:2007212228 ()作者简介:岑敏锐1971-,男,湖北浠水人,武汉工程大学理学院讲师,硕士,从事大学物理教学及
6、研究.dvzfvkwMI1 λλkkf)(A==3,φsinlkk 超声波在液体中传播的速度为 λνfν()4v=A=.Δlk Δν式中是振荡器和PZT晶片的共振频率,lk为 同一颜色光衍射条纹的间距. 实验数据处理3()ν在4式中,超声波振荡频率可以在信号电图2超声光栅测量声速的原理源上读取,最后一位数字会出现0.01MHz的变rqyn14ZNXI Δν动,取不确定度为=0.02MHz.JJY分光计的(或称光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片EmxvxOtOco 望远镜物镜焦距f=170mm.汞灯光波波长为:)PZT晶片玻璃液槽,在
7、槽的另一侧,用自准直望SixE2yXPq5... 汞蓝光435.8nm,汞绿光546.1nm,汞黄光()远镜中的物镜L和测微目镜组成测微望远镜26ewMyirQFL 578.0nm.为了找出超声波速度和温度之间的关系统.若振荡器使PZT晶片发生超声振动,形成kavU42VRUs 系,我们在10,35?范围内选取了6个不同的温稳定的驻波,则在测微目镜中即可观察到衍射光y6v3ALoS89 度进行了实验,对每种颜色分别测出-2级条纹φ谱.从图2中的几何关系可看出,当很小时有kM2ub6vSTnP 坐标l到+3级条纹的坐标l,然后用逐差法分
8、-23lkφ()sin=2k,f别求出了在相应频率下各种颜色光衍射条纹平均0YujCfmUCw [4]其中l为衍射光谱零级至k级的距离,f为透镜k间
