波波长为
Λ=kλ/sinθk=kλf/ dk=λf/Δd 其中Δd为相邻条纹间距。
液槽中传播的超声波的频率υs可由超声光栅仪上的频率计读出,则超声波在液体中传播的速度为
V=Λυs=λfυs/Δd 因此,利用超声光栅衍射可以测量液体中的声速。
二、 实验内容
实验仪器:分光计、超声光栅仪、玻璃液槽、高压汞灯、测微目镜、待测液体(水)。 实验步骤:
1、 分光计的调节
1) 用自准法调节望远镜聚焦于无穷远。
① 目镜视度的调节。点亮目镜照明小灯,转动目镜视度调节手轮,使从目镜中清晰地看到分划板上的黑十字叉丝。
② 将平面镜轻轻贴近望远镜镜筒,使平面镜与望远镜基本主轴垂直,前后移动分划板套筒,直至从目镜视场中观察到反射回的绿十字叉丝像清晰,且绿十字叉丝像与分划板上的叉丝间无视差,则望远镜聚焦
于无穷远。
2) 调节望远镜主轴垂直于载物台转轴
① 将平面镜如图置于载物台上,转动载物台,使镜面与望远镜主轴大致垂直,从目镜中观察由平面镜反射回的绿十字像。一般由于置于载物台上的平面镜与望远镜不能互相垂直,所以不能一下子观察到反射绿十字像。轻轻转动载物台,使镜面旋转一个小角度,从望远镜外侧用眼睛观察从平面镜反射回的绿十字像,适当调节望远镜和载物台的倾斜度,直到转动载物台时,从目镜中能观察到反射回的绿十字像。
② 通常,绿十字像水平线和分划板调整叉丝水平线不重合,可采用1/2调节法来调节。调节望远镜的水平调节螺丝,使两者水平线的差距减少一半;调节载物台下的调节螺丝a或b,使两者水平线重合。 ③ 将载物台旋转180°,重复步骤②。这样反复进行调节,直到平面镜的任何一面正对望远镜时,绿十字像与分划板调整叉丝两者水平线都重合,说明望远镜主轴与平面镜的两个面都垂直。
④ 将平面镜转过60°,转动载物台,使平面镜某一面正对望远镜,从中找出绿十字像,然后单独调节载物台下水平调节螺丝c,使平面镜反射回来的绿十
字像与分划板调整叉丝水平线重合,则载物台平面法线基本上与分光计转轴重合。
3) 调节分划板上十字叉丝水平与垂直。转动载物台,从目镜中观察绿十字像是否沿叉丝水平线平行移动,若不平行,则可转动分划板套筒使其平行(注意不要破坏望远镜的调焦)。
至此,望远镜已调节好可作为基准进行其它调节。 4) 调节准直管发出平行光且准直管主轴与转轴垂直。 ① 将已点亮的汞灯置于狭缝前,转动望远镜,从目镜中观察到狭缝的像,前后移动狭缝套筒,改变狭缝与望远镜物镜之间的距离,使狭缝像最清晰,此时准直管发出平行光。
② 调节准直管水平调节螺丝,使狭缝像被叉丝第二条水平线平分,则准直管与望远镜共轴,即准直管主轴与转轴垂直。
至此,分光计调节完毕,固定载物台。 2、 衍射条纹调节
1) 液槽内充好液体后,连接好液槽上的压电陶瓷片与高频功率信号源上的连线,将液槽放置到分光计的载物台上,调节载物台水平调节螺丝,使反射回的绿十字像与分划板调整叉丝水平线重合,确保光路与液槽内超声波传播方向垂直。
2) 调节准直管套筒,使狭缝像与分划板调整叉丝竖线重合。调节高频功率信号源的频率,使可以观察到±3级衍射条纹,调节狭缝宽度调节螺丝使衍射条纹最细,固定望远镜。
3) 将望远镜目镜换成测微目镜,前后移动测微目镜使衍射条纹最清晰,旋转测微目镜,使目镜视场中分划板标尺与衍射条纹平行,固定测微目镜。
3、 相邻条纹间距的测量
1) 将测微目镜分划板标尺移至-3级紫光衍射条纹左侧,单向移动标尺,逐次测出-3、-2、-1、0、1、2、3级条纹位置Xk1,再反向进行测量(共3次)。 2) 重复1)操作,分别对绿光、黄光进行测量。 3) 利用逐差法,计算出相邻条纹间距ΔL。 4、 声速的计算:V=Λυs=λfυs/ΔL 5、
环境条件 k级条纹位置L/mm -3 -2 -1 1 2 3 相邻条纹间距 ΔL/mm 温度 实验数据 24℃ 紫光 湿度 46% 绿光 λ=546.07nm 气压 黄光 λ=578.02nm λ=435.84nm 2.409 0.752 1.528 1.106 0.913 1.148 1.045 0.270 0.981 3.010 1.303 2.080 1.855 1.605 1.830 1.765 0.965 1.760 3.582 1.858 2.662 2.510 2.314 2.518 2.492 1.685 2.455 4.705 2.906 3.794 3.935 3.727 3.900 3.981 3.190 3.928 5.285 3.460 4.321 4.650 4.419 4.611 4.717 3.910 4.680 5.873 4.106 4.890 5.330 5.115 5.235 5.453 4.662 5.368 0.5702 0.5616 0.5613 0.7037 0.6954 0.6875 0.7374 0.7408 0.7317