POLITECHNIKA
WROCŁAWSKA Laboratorium fizyki 1996/97
rok 1 grupa
Ćw.nr 87 Andrzej Wiącek sem.2 1
temat: ocena data
Dyfrakcja fali świetlnej na fali ultradźwiękowej.
Cel ćwiczenia :
a)zapoznanie z mechanizmem powstawania akustooptycznej siatki dyfrakcyjnej i ugięcia fali świetlnej na tej siatce.
b)wyznaczenie predkości dźwięku w cieczach.
Program ćwiczenia :
1.Wyznaczanie prędkości dźwięku w cieczy.
2.Obserwacja dwuwymiarowego obrazu dyfrakcyjnego.
3.Obserwacja obrazu dyfrakcyjnego w przypadku stojącej fali akustycznej.
Przebieg ćwiczenia :
1. Wyznaczanie prędkości dźwięku w cieczy.
generator ultradźw.
ekran
nadajnik
piezoceramiczny
laser He-Ne
Xm
z
schemat układu pomiarowego
Układ pomiarowy składał się z kuwety z generatorem fal ultradźwiękowych (płytka piezoceramiczna) .Z lasera He-Ne oraz ekranu ze skalą milimetrową do obserwacji obrazu dyfrakcyjnego. Celem doświadczenia przy pomocy takiego układu było wyznaczenie prędkości fali akustycznej w wodzie. Kuweta wypełniona była wodą , a z jednej ze ścianek emitowana była fala akustyczna (ultradźwiękowa) o częstotliwości f = 9,5 [MHz] i średnicy ok.1 cm. Na ekranie ze skalą obserwowany był obraz dyfrakcyjny (patrz rys.a), który uzyskiwaliśmy dzięki ustawieniu lasera, tak aby kierunek propagacji wychodzącego z niego światła był prostopadły do kierunku propagacji fali akustycznej. Oprócz tego ekran mieszczony był w takiej odległości aby można było dogodnie wykonać obserwacje i odpowiednie pomiary. Pomocne w tych warunkach było zastosowanie dwóch reflektorów.
laser He-Ne
kuweta
z cieczą
ekran
Pomiary :
Prędkość fali akustycznej w badanej cieczy (wody) :
V = Λf
ponieważ częstotliwość f jest znana a długość fali Λ nie, więc
wyznaczamy Λ z 3 równań:
tgΘm=xm/z
ΛsinΘm=mλ dla m=0,±1,±2,±3...
V = Λf
uzyskujemy :
V=
dla : m=3 , xm=0,053m , f=9,5MHz , λ=633nm
UWAGA !!!
l.p z[m] z-całkowita odległość
1 4,72 od fali akustycznej a
2 4,70 ekranem
3 4,67
4 4,64
5 4,68
Błąd przypadkowy jaki wystąpił przy pomiarze z :
błąd średni kwadratowy wynosi :
czyli : δz =2,1 10-3[%]
natomiast błąd systematyczny : δV = δλ + δz + δf + δxm
Ponieważ z danych tablicowych wynika, że prędkość fali akustycznej w wodzie powinna być 1497m/s , natomiast wartość z doświadczenia wyniosła 1593m/s łatwo zauważyć, że wystąpił znaczny błąd o ok. 100m/s co stanowi ok.6,7%. Jest to błąd dość duży a ze wzoru na bład systematyczny popełniony w trakcie doświadczenia wynika, że : δV = δλ + δz + δf + δxm = 6,7%.
Z zależności tej i wzoru na prędkość wywnioskować można ,że błąd, który miał tu znaczenie, były błedy przy szacowaniu odległości z oraz xm , ustawienie częstotliwości f na generatorze fal kustycznych .Błąd długośći fali λ wysyłanej przez laser można pominąć ponieważ laser jest dokładnym urządzeniem.
2. Obserwacja dwuwymiarowego obrazu dyfrakcyjnego.
płytka kuweta
piezoceramiczna
45o
fala akustyczna fala świetlna pryzmat(reflektor)
W celu obserwacji dwuwymiarowego efektu dydrakcyjnego, do badanego układu z pkt.1 dodaliśmy reflektor, dzięki któremu fala akustyczna po odbiciu od powierzchni reflektora propagując się pionowo trafia w obszar przejścia fali świetlnej.Pojawił się dwuwymiarowy obraz dyfrakcyjny (patrz rys.b) , będący złożeniem dyfrakcji na poziomej fali akustycznej i dyfrakcji na odbitej pionowej fali akustycznej.Czyli fala świetlna przechodziła przez dwie siatki dyfrakcyjne, których kierunki propagacji są prostopadłe.Obraz dyfrakcyjny tworzy siatka prążków rozciągających się w kierunkach x,y.
3.Obserwacja obrazu dyfrakcyjnego w przypadku stojącej fali akustycznej.
płytka kuweta
piezoceramiczna
l
.
fala akustyczna fala świetlna pryzmat(reflektor)
stojąca
Układ , w którym powstaje stojąca siatka dyfrakcyjna
Przy obserwacji obrazu dyfrakcyjnego w przypadku stojącej fali akustycznej potrzebny był reflektor pionowy ustawiony blisko nadajnika, należało tak go ustawić aby uzyskać gwałtowne zwiększenie ilości światła w prążkach dyfrakcyjnych wyższych rzędów (patrz rys.c) a położenie prążków nie zmieniła się .Przy czym żeby powstała fala stojąca musi być spełniony warunek :
, n=1,2,3...
Czyli odległość l między nadajnikiem a reflektorem była wielokrotnością połowy długości fali ultradźwiękowej Λ.
Zaobserwowane efekty dyfrakcyjne fal świetlnych :
a) jednowymiarowe
m0
b)dwuwymiarowe
m0
c)na fali stojącej
m0
PODSUMOWANIE I WNIOSKI :
5