 |
Постановка экспериментальной задачи
|
|
|
|
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассмотрим прибор, называемый ультразвуковым интерферометром (см. рисунок). Он состоит из кюветы A с излучающей пластинкой пьезокварца Q, передвижного металлического рефлектора R и отсчетного устройства N. Рефлектор установлен параллельно кварцевой пластинке. Если заполнить кювету водой и возбудить в ней ультразвуковые волны, то волны отразятся от рефлектора и пойдут в направлении, противоположном начальному. При этом возникнут стоячие волны. В действительности имеет место более сложная картина, так как отраженная волна, дойдя до дна кюветы, отражается вторично и т.д. Таким образом, в каждый момент времени мы имеем дело с двумя группами волн, идущими в противоположных направлениях. Внутри каждой группы волны различаются по фазе, причем фаза отраженных волн зависит как от расстояния между излучателем и рефлектором, так и от кратности отражения. Такие различающиеся по фазе волны будут взаимно гасить друг друга. Исключение составляет тот случай, когда отраженная волна совпадает по фазе с падающей. Можно показать, что это происходит только тогда, когда высота h столба жидкости между дном и рефлектором в целое число раз превосходит половину длины волны звука
h= L / 2 k. (1)
Эта формула определяет условие возникновения резонанса. В этом случае амплитуды падающей и отраженных волн складываются, что приводит к резкому возрастанию интенсивности результирующей стоячей ультразвуковой волны.
Если на такую кювету с жидкостью перпендикулярно направлению распространения звуковой волны падает плоская световая волна, то появление резонанса можно наблюдать визуально по усилению дифракционной картины. Действительно, когда справедливо соотношение (1) амплитуда колебания показателя преломления d n в жидкости достигает максимального значения, и в этом случае мы видим максимальное число линий в дифракционной картине. Найдем положение рефлектора h 0, соответствующее наиболее четкой дифракционной картине, затем снова будем перемещать рефлектор. Следующее резкое усиление дифракции произойдет при смещении рефлектора на высоту D h, равную половине длины звуковой волны
|
|
|
D h,= L /2, откуда L = 2D h,.
Условимся называть усиление дифракции, соответствующее начальному положению рефлектора h 0, нулевым усилением; следующее наблюдаемое усиление - h 1 первым и т. д. Тогда из (1) в общем случае получаем
D h = h k - h 0 = k L /2 или L = 2 (h k - h 0 )/ k. (2)
где k - номер k -го усиления, h k - соответствующее ему положение рефлектора.
Если частота ультразвука n, задаваемая генератором, известна, то, измерив D h, можно вычислить скорость ультразвука в воде
U = Ln = 2 n (h k - h 0 )/ k. (3)
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Схема установки приведена на рисунке.
Свет от источника S проходит через конденсор K, светофильтр C и щель G, находящуюся в фокусе объектива O. Свет выходит из объектива в виде параллельного пучка лучей и падает на интерферометр (описание интерферометра см. выше).
 |
Для наблюдения дифракционной картины служит зрительная труба F, сфокусированная на бесконечность. Рефлектор с отсчетным устройством смонтирован на штативе, жестко связанном с кюветой.
Отсчетным устройством служит микрометр, позволяющий измерять перемещение рефлектора с точностью до 0.01мм. Пластинка пьезокварца должна иметь хороший механический контакт со средой. Для этой цели кварц помещается между металлической пластиной (первый электрод) и фольгой (второй электрод) и плотно прижимается ко дну кюветы с помощью пружин. Зазор между фольгой и кварцем с одной стороны, фольгой и дном кюветы - с другой заполняется тонким слоем масла для осуществления хорошего акустического контакта. Ламповый генератор высокочастотных колебаний Г служит для возбуждения ультразвуковых волн в кварце и настроен в резонанс с кварцевой пластинкой на частоту n =(1960±10) кГц. Незатухающие электрические колебания с генератора подаются на электроды (фольгу и наружную металлическую пластинку) пьезокварца и возбуждают в нем механические колебания.
|
|
|
ПРИМЕЧАНИЕ. Так как для получения ультразвука применяется кварцевая пластинка диаметром около 2.5 см, а длина ультразвуковой волны в воде составляет величину порядка миллиметра, то можно считать с достаточной точностью, что волны, распространяющиеся в жидкости, будут плоскими.
ВНИМАНИЕ! Настройка всех приборов производится специалистом.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Получить резкое изображение щели в трубе.
2. Включить генератор и дать ему прогреться 1-2 минуты.
3. Плавным изменением положения головки отсчетного устройства, жестко связанной с отражателем, добиться наибольшего числа дифракционных максимумов ("нулевое усиление") и заметить начальное положение h0. Далее, плавно перемещая головку в одном направлении, просчитать определенное число усилений дифракционной картины k (например, k =20). Записать конечное положение рефлектора hk. Отметим, что чем больше выбранное k, тем точнее получится окончательный результат.
4. Повторить измерения 4-6 раз.
5. По формуле (2) определить L и, обработав результаты методом прямых измерений, определить 
и DL.
6. Определить скорость ультразвука в воде U по формуле (72.1). Погрешность D U вычислить по формуле
7. Найти по таблице (см.с.1) значения r, a и C P, соответствующие данной температуре.
8. По формуле (72.4) вычислить b ад
9. По формулам (72.5) и (72.6) определить bиз, С V и g.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Все измеренные значения h 0, h k, k и вычисленные по ним значения L.
2. Рассчитанные величины и DL, U и D U.
3. Полученные из таблицы значения r, a и C P.
4. Вычисленные величины b ад, bиз, С V и g.
ВОПРОСЫ
1. При каких положениях рефлектора наблюдается усиление дифракционной картины?
2. Как изменится дифракционная картина при замене красного светофильтра на синий?
Работа N 72.2. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА БЕГУЩИХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛНАХ
|
|
|
Прежде чем приступить к работе, необходимо ознакомиться с введениями по темам "Интерференция и дифракция света" и "Определение скорости ультразвука оптическими методами".
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определить скорость ультразвука в воде по дифракции света на бегущих волнах и рассчитать b ад, bиз, С v и g для воды.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ
Напомним, что скорость звука V определяется формулой V = Ln, где n - частота. Длину волны ультразвука L в воде можно определить по дифракционной картине света, полученной на бегущих в воде ультразвуковых волнах. Действительно, из формулы (72.8) получаем
L =k l / sinj k (1)
где l - длина световой волны в воздухе, k - порядок дифракционного максимума и j k - угол, под которым наблюдается дифракционный максимум.
|
|
|
