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實驗一 液體中聲速之光學量測法 實驗目的： 利用超聲波在水中形成駐波，其作用有如繞射光柵，利用繞射光柵的方式，再以雷射光通過所形成的駐波，由駐波的節點間距可對應到超聲波的波長，由超聲波波長乘上已知的超聲波頻率，即可檢測出超聲波在液體中的相速。在此實驗中，可將光通過狹縫所形成的干涉現象與以前所學的雙狹縫干涉相關觀念加以印證，在操作過程中亦可使學生對雷射有進一步的了解，並可培養學生以光柵繞射的光學方法求水中超聲波的相速。 二、實驗儀器: 儀 器 名 稱 數 量 規 格 超聲波信號產生器 1 800 kHZ 浸入式換能器 1 He-Ne雷射 1 0.5mW 玻璃水槽 1 14.5×6.5×10cm3 鏡支撐架 1 凸透鏡 1 白色屏幕組 1 光學工作台 1 實驗原理: 將浸入式超聲波換能器至入水槽中，使其與水平面平行並調整其高度以形成駐波。 利用超聲波在水中傳播時，產生疏密變化的波，此疏密波可以作為光柵，利用此光柵的特性可以使其產生干涉的現象。以雷射光照射由超聲波所產生的光柵後，會在屏幕上產生明暗相間的干涉條紋。 移動浸入式換能器，觀察屏幕上的變化，當有明顯的明暗間隔出現時，水槽中的水波即形成駐波，紀錄浸入式換能器至水槽底部的垂直距離 H：浸入式換能器至水槽底部的垂直距離 λ：水槽中水波形成駐波時的波長 n：正整數 向上緩慢移動浸入式換能器，觀察屏幕上的變化，當有明顯的明暗間隔出現時，即水槽中的水波再次形成駐波，紀錄浸入式換能器至水槽底部的垂直距離H’ 由此兩式相減可得 另外，亦可由駐波的特性和干涉條紋的間格求得波長。移動浸入式換能器，使水槽中的水波即形成駐波，由干涉原理可知 L：所量到的明暗間隔。　 　　　　　　　　 R：屏幕到玻璃水槽的距離。 　　　　　　　 χ：雷射光的波長。 λ：水槽中水波形成駐波時的波長。 求得波長後，由 V = f ×λ f：超聲波頻率 可以得到超聲波在水中的聲速V。 四、實驗步驟: 一、將雷射水平放置在光學架上，並在白色屏幕上打上一個光點。 二、將玻璃水槽裝滿２／３的純水。將玻璃水槽放到可移動的光學架上。調整水槽位置，使雷射光的光軸水平經過玻璃水槽。此時光點位置不變。 三、將防水超聲波換能器，接上超聲波信號產生器，再將其置入水槽中２~3公分處固定之。注意：換能器需要與水槽底平行。 四、將超聲波信號產生器調到800MHz，此時可以在屏幕上看到明暗相間的波紋。代表在水中的換能器所產生的超聲波尚未形成穩定的駐波。 五、此時，上下微調換能器的位置，以不超過兩公分為原則。使屏幕上的像形成清晰的亮暗條紋。量測條紋間距及屏幕至玻璃水槽間的距離。 六、求得波長後，由V=f ×λ可以得到超聲波在水中的聲速。 五、實驗結果: 　　 V/。C C/(m/s) (△c/△v)/(m/s。C) 水 甘油 鹽水 六、參考資料 Garl W. Garland (Warren P. Mason and R. N. Thurston Ed.). Physical Acoustics Π. Academic Press. New York and Landon. pp. 51－148 (1964). A. B. Bhatia. Ultrasonic Absorption: an Introduction to The Theory of Sound Absorption and Dispersion in Gases, Liquids, and Solids. Dover Publications. New York (1985).. V. A. Shutilov, translated from the Russian by Michael E. Alferieff. Fundamental Physics of Ultrasound. Gordon and Breach Science Publishers. New York (1988) H. F. Pollard. Sound Waves in Solids. Pion. London (1977).