“声光衍射与液体中声速的测定”实验改进探析-论文.pdf

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1、第27卷第4期大学物理实验Vo1．27NO．42014年8月PHYSICALEXPERIMENTOFCOLLEGEAug．2014文章编号：1007—2934(2014)04—0042—03“声光衍射与液体中声速的测定"实验改进探析姚雪，樊玉勤，王伟，廖帅，吴致平，李天宇(重庆科技学院，重庆401331)摘要：本文在分析“声光衍射与液体中声速的测定”实验原理的基础上，提出了实验改进方法，组装了一套简单可行的测量衍射光斑中心位置的实验装置，减小了传统实验方法中测量光斑间距的误差，提高了实验精度。关键词：声光衍射；误差分析；实验改进中图分类号：04—33文献标志码：A本实

2、验是一种能产生多级衍射的声光衍射，称1声光衍射测定液体中声速的基本为喇曼一奈斯(Raman—Nath)衍射。只有当超声原理波频率较低，入射角较小时才能产生这种衍射。若入射光的波长A和超声波的频率已知，根据公式声波在液体介质中传播时，会引起介质密度(1)只要能知道sin0，就可计算出超声波长A。当呈疏密交替的变化形成液体声场。光通过该种介光栅到衍射屏的距离L远大于第±级光斑之间的质时会发生衍射的现象称为“声光衍射”。实验距离(即L>>D)时装置见图1，由激光发射器，液槽，压电换能器，光，)，sin0tan0^=-／C(2)具座，光屏，温度计组成。采用压电材料锆钛酸铅二上

3、陶瓷的逆压电效应产生超声波并在液槽中产生超由(1)、(2)可得超声波在该液体中的传播速度声驻波场，形成超声光栅。调节超声波的频率直2、，一到满足驻波条件，使液体疏密交替的密度分布达s到稳定状态而形成超声光栅激光发射器，发出激(=0，±1，±2，⋯；A=632．8nm)(3)光人射在超声光栅上产生声光衍射的衍射光斑数式中：．超声波频率可由频率发生器直接读出，目最多最亮。图1中为液槽中心到光屏之间的光栅到衍射屏的距离￡可通过光具座上的刻度测距离，为衍射级数，0为第级衍射的衍射角形出，激光波长A已知。只要测出第±级光斑之间成各级衍射的条件是的距离D，就可以得到超声波的传播速

4、度。这是测量超声波传播速度的有效方法之一。sin±(=。，+1’，⋯)(1)式中：A为人射光波长；A为超声波波长。2传统实验方法及误差分析本实验主要测量两个量，即光栅到衍射屏的距离￡和两个±k级衍射光斑间的距离D，后者的测量是本实验结果误差的主要来源。传统的测量方法是用游标卡尺直接在光屏上测量两个光斑中心的距离，在具体实验过程中用一张白纸临摹光斑后，用游标卡尺测量±k级光图1声光衍射实验装置简图斑间的距离D(采用两个同级光斑边沿的距离再收稿日期：2014-04-10基金项目：重庆科技学院第八届大学生科技创新训练项目(2013134)“声光衍射与液体中声速的测定”实验改

5、进探析D=l+一一『(6)当时实验温度下的理论计算值比较算出百分误差将表1、表2数据代入公式(4)，(5)分别求出为3．3％。由此可见，利用十字线法改进实验测和D，再代人公式(3)求出液体中的声速，取声量方式，操作更加简单，不仅简化了测量内容，实速的平均值并与当时实验温度下的理论计算值比验结果精度进一步提高，且实验装置费用较低，可较得出百分误差为14．9％。将表1、表3数据代入用于日常实验教学。公式(4)，(6)和公式(3)，取声速的平均值并与表2纸描法实验数据记录mm表3十字线法实验数据记录mm参考文献：5结论[1]唐海燕，杨文艳，王全武，等．学物理实验[M]．本文

6、分析了传统实验方法的弊端，尝试了三北京：高等教育出版社，2011．[2]吴锋，张昱．大学物理实验教程[M]．北京：科学出种方法改进光斑中心位置的测量，证明了光敏电版社，2008．阻法和感光照相法不适用于学生实验课堂，在此[3]叶玉堂，肖峻，饶建珍，等．光学教程[M]．北京：基础上进一步改进设计并组装了一套简易的测量清华大学出版社，2011．衍射光斑中心位置的实验装置，用十字线法确认[4]赵艳艳．电阻放大法检测开尔文电桥故障[J]．大学光斑中心位置并通过螺杆标尺(千分尺)读出数物理实验，2013，23(1)：43—47．据，该装置减小了传统实验方法中测量光斑之间[5]陈

7、佳琪．固体声速温变特性实验室探究[J]．大学物的距离存在的误差，测量方法简单易行，测量结果理实验，2013，26(4)：l8—20．更加准确，在今后的实验教学中可以应用。ExperimentImprovementandExplorationofAcousto-OpticDifractionandMeasurementoftheVelocityofSoundinLiquidYAOXue，FANYu—qin，WANGWei，LIAOShuai，WUZhi—ping，LITian—yu(ChongqingUniversityofScienceandTech