激光水波振动频率及传播速度的测量

  • 当平静的水面受到扰动后就有水波产生,并向外传播。这是波的振动传播最典型例子。一石激起千层浪,虽然水波上下振动和向外传播情况能被看到,但水波上下振动的频率以及水波振动状态向外传播的速度确很难测定。下面是使用激光器、硅光电池等器件,采用光折射的方法而设计的能测定水波振动频率与传播速度的实验装置。该实验优点是测量方法简单,由于是无接触测量,对被测量无影响。
  • 数字式示波器
  • 低压电源
  • 实验仪(玻璃盘,带有激光器与硅光电池的可移动支架,带有振动杆与振子的扬声器)

  • 水波振动向外传播的速度为C=ΔX/Δt。式中,ΔX为水波振动在时间Δt内向外传播距离。如果传播距离为一个波长的λ,则Δt为一个周期T。波(的振动)传播的速度分为相速度与群速度。
  • 相速度:单色(单一频率)波向前传播的速度。其数值等于波长与波源振动频率的乘积。
  • 群速度:波长不同的一些波迭加时,会形成某种形状的合成波(或称波群),有些地方加强,而有些地方减弱。如果在媒质中这些分波传播时的相速度不同,则合成波的形状随时间而变化。其加强部分的传波速度称为“群速度”。
  • 水振动时引起水面波动,当激光照在水面上时,由于入射到的水面发生倾斜引起入射光折射线偏离原来方向,如图10.1所示。当水波上下波动一次时,激光束来回变化一次,硅光电池上输出电压变化一次,即水的振动频率与硅光电池上输出电压频率相同。当水的振动幅度不大,又把光束2近似看作直线时,则ΔL与水的振动幅度近似成正比,又ΔL变化较小,d几乎不变,则ΔS≈dΔL,硅光电池上输出电压幅度ΔU≈KEΔS≈KEdΔL(K为转换系数,近似为常数;光源的发光强度与光源到硅光电池距离有关,所以照度E为定值)。所以输出(电压变化幅度)与水的振动幅度近似成正比。硅光电池上输出电压大小直接可在示波器上显示。
  • exp/selfstudy/10.txt
  • 最后更改: 2010/03/16 16:28
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