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        基于PASCO平臺的超聲光柵實驗設(shè)計及應(yīng)用

        2012-02-01 03:34:06劉立英王如志高小強
        物理實驗 2012年7期
        關(guān)鍵詞:鈦酸光斑光柵

        李 健,劉立英,王如志,高小強,何 川

        (北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院,北京100124)

        1 引 言

        PASCO物理實驗教學(xué)平臺是將計算機數(shù)據(jù)采集與分析應(yīng)用于物理實驗的系統(tǒng),采用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,電腦進(jìn)行過程控制和數(shù)據(jù)處理,對一些瞬態(tài)變化的物理量能做到實時測量,對一些不易觀察的物理現(xiàn)象能實現(xiàn)感官展示.

        為了配合其計算機接口、傳感器和實驗軟件的使用,PASCO公司開發(fā)了一系列實驗項目,包括一些典型的普通物理實驗以及一些綜合性實驗.目前許多學(xué)校正在使用PASCO平臺開展這些已開發(fā)的實驗項目[1-2].而研究者已根據(jù)PASCO實驗平臺的特征進(jìn)行一些新的實驗設(shè)計或者運轉(zhuǎn)模式方面的嘗試[3-4].

        本文基于PASCO實驗附件可組裝性強的特征,根據(jù)實驗室已有的硬件條件,在傳統(tǒng)的超聲光柵實驗基礎(chǔ)上,設(shè)計與搭建新的超聲光柵實驗裝置,通過傳感器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備的引入,獲得了清晰、直觀的超聲光柵衍射光強分布圖.在此基礎(chǔ)上,通過測量與計算不同酒精溶液濃度下的超聲波聲速,提供了一種利用超聲波對相關(guān)溶液濃度進(jìn)行快速測量和比較的方法,實現(xiàn)了PASCO實驗平臺的設(shè)計性應(yīng)用與擴展研究.

        2 實驗原理

        光波在介質(zhì)中傳播時被超聲波衍射的現(xiàn)象,稱為超聲致光衍射.超聲波作為縱波在液體中傳播時,其聲壓使液體分子產(chǎn)生周期性的變化,促使液體的折射率也相應(yīng)地作周期性變化,形成疏密波,如圖1所示,在距離等于波長Λ的兩點,液體的密度相同,折射率也相等.此時,如有波長為λ的平行單色光沿垂直于超聲波傳播方向通過該疏密相間的液體時,折射率的周期變化將使光波的波陣面產(chǎn)生相應(yīng)的相位差,遠(yuǎn)距離可觀察到衍射條紋.這一作用,與平行光通過透射光柵的情形相似.因為超聲波的波長很短,只要盛裝液體的液體槽的寬度能夠維持平面波(寬度為l),槽中的液體就相當(dāng)于衍射光柵,圖中行波的波長Λ相當(dāng)于光柵常量.由超聲波在液體中產(chǎn)生的光柵作用稱作超聲光柵[5].

        圖1 超聲致光衍射原理示意圖

        當(dāng)滿足聲光拉曼-奈斯衍射條件2πλl/Λ2?1時,這種衍射相似于平面光柵衍射,可得如下光柵方程:

        式中,k為衍射級次,φk為零級條紋與k級條紋間的夾角.

        由激光器產(chǎn)生的準(zhǔn)直平行的光束垂直通過裝有鋯鈦酸鉛陶瓷片(PZT)的液體槽.由相應(yīng)的超聲信號源輸出的高頻振蕩信號驅(qū)動鋯鈦酸鉛陶瓷片發(fā)生共振,產(chǎn)生的超聲波會在液體中形成穩(wěn)定的駐波,形成超聲光柵.

        若振蕩器使PZT晶片發(fā)生超聲振動,形成穩(wěn)定的駐波,則在玻璃槽的另一側(cè)足夠遠(yuǎn)處,即可觀察到清晰的衍射光斑.當(dāng)φk很小時,有

        式中,lk為衍射光譜零級至k級的距離,z為衍射距離.所以超聲波波長為

        由于Δlk=lk/k,故超聲波在液體中的傳播速度為

        式中,ν為振蕩器和鋯鈦酸鉛陶瓷片的共振頻率,Δlk為光柵衍射條紋間距.

        3 實驗過程及裝置

        實驗用WSG-I型超聲光柵聲速儀產(chǎn)生相應(yīng)的液體光柵,實驗裝置如圖2所示.WSG-I型超聲光柵聲速儀由超聲信號源、液體槽、高頻信號連接線等組成,并配置了相應(yīng)共振頻率的鋯鈦酸鉛陶瓷片.實驗前,首先利用激光對光源和接收光闌準(zhǔn)直,并使光路與液槽內(nèi)的超聲波傳播方向垂直.實驗時,運用量筒和燒杯精確配制相應(yīng)濃度的酒精溶液(0~20%,間隔5%;20%~100%,間隔10%),緩緩倒入液體槽,將鋯鈦酸鉛陶瓷片插入溶液(另一端連接振蕩器),蓋上液體槽蓋板.開啟超聲信號源電源,輸出的高頻振蕩信號驅(qū)動鋯鈦酸鉛陶瓷片發(fā)生共振,產(chǎn)生的超聲波會在液體中形成穩(wěn)定的駐波,形成超聲光柵.打開激光器,使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的準(zhǔn)直平行光垂直入射到超聲光柵上.透過光柵的衍射光被光闌及光傳感器接收,能觀測到清晰分立的衍射光斑,通過調(diào)節(jié)振蕩器頻率使衍射光斑達(dá)到最亮,記錄此時的頻率,即為共振頻率.衍射光斑接收裝置中光傳感器與轉(zhuǎn)動傳感器通過垂直于導(dǎo)軌的線量轉(zhuǎn)化器固連在一起,其中轉(zhuǎn)動傳感器用來測定位置,光感應(yīng)傳感器測量相應(yīng)位置的光強,兩者通過PASCO數(shù)據(jù)采集接口與計算機連接.實驗時,首先將轉(zhuǎn)動傳感器置于線量轉(zhuǎn)換器的一端,打開電腦中的Datastudio數(shù)值采集及處理軟件,點擊運行后,輕輕調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動傳感器,將同步獲得相應(yīng)溶液的清晰、直觀的衍射光強分布圖像.轉(zhuǎn)動傳感器到達(dá)線量轉(zhuǎn)換器另一端時,結(jié)束一次運行.

        圖2 基于PASCO的超聲光柵實驗裝置示意圖

        4 實驗結(jié)果及討論

        利用上述實驗裝置,重復(fù)上述實驗步驟,可以得到各酒精溶液濃度下的光強分布與位置的關(guān)系圖,圖3所示分別是20%和100%酒精濃度下的光強分布.利用Datastudio軟件內(nèi)置的極值查找功能準(zhǔn)確找出各個不同衍射級次所對應(yīng)的峰值的位置及相應(yīng)的光強,并計算出光斑間隔Δlk.將濃度從測得的數(shù)據(jù)整理到表1中,根據(jù)式(4)求出超聲波速度v.

        已知聲波在特定物質(zhì)中不同溫度下的傳播速度為:vt=v0+A(t-t0),其中v0為20℃時聲波在該物質(zhì)中的傳播速度,t0為標(biāo)準(zhǔn)室溫20℃,A為溫度系數(shù).對于100%濃度的酒精,v0=1 180m/s,A=-3.6[4].本實驗中環(huán)境溫度為26℃,因而,實驗中100%濃度酒精中聲速的理論值為vt=1 180-3.6(26-20)=1 158.4m/s,實驗中測量值為1 152.6與之比較,偏差僅為0.5%.

        圖3 不同濃度酒精的光柵光強分布圖

        表1 超聲波衍射實驗數(shù)據(jù)表(環(huán)境溫度26℃,波長λ=670nm,衍射距離z=1 900mm)

        根據(jù)表1所列數(shù)據(jù),得到超聲波速度與酒精濃度的關(guān)系曲線如圖4所示.結(jié)果表明,酒精濃度在從0%到20%增大時,聲速也隨之增大并且出現(xiàn)最大值,在濃度大于20%以后超聲波速度逐漸減小,并且達(dá)到最小值,與相關(guān)文獻(xiàn)報道的結(jié)果一致[6-7].在誤差允許范圍內(nèi),運用軟件的公式擬合功能,確定超聲波速度與酒精濃度為兩段線性函數(shù)關(guān)系.在此基礎(chǔ)上,已知超聲波速度的情況下,可迅速確定相應(yīng)的酒精濃度.

        圖4 超聲波速度與酒精濃度的關(guān)系曲線

        5 結(jié)束語

        大學(xué)物理實驗是高校一門重要的公共基礎(chǔ)課,在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和動手能力方面具有重要的基礎(chǔ)作用.本文以現(xiàn)有的傳統(tǒng)實驗設(shè)備為依托,嵌入現(xiàn)代化教育元素設(shè)計與搭建了新型超聲光柵實驗裝置,使衍射光強分布等不易感官觀察的物理量得到定量表達(dá),取得了良好的實驗教學(xué)效果.

        [1] 陳修芳.亥姆霍茲線圈磁場分布及其測量[J].大學(xué)物理實驗,2009,22(3):33-36.

        [2] 韓曉茹,傅筱瑩,彭可鑫,等.基于PASCO系統(tǒng)的混沌擺實驗[J].物理實驗,2011,31(11):5-9.

        [3] 劉立英,原安娟,崔敏,等.PASCO實驗平臺上拓展訓(xùn)練模式的探索與實踐[J].物理實驗,2010,30(增):38-40.

        [4] 張偉,蔡穎標(biāo).基于PASCO平臺的法拉第磁光效應(yīng)實驗[J].物理實驗,2011,31(7):33-36.

        [5] 鄧金祥,劉國慶.大學(xué)物理實驗[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2005:189-230.

        [6] 徐金榮,張榮.超聲光柵理論與實驗研究[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2010,18(1):83-86.

        [7] 劉澄宇.用超聲光柵儀測量液體濃度[J].新余高專學(xué)報,2007,12(6):80-82.

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