МЕТОД НЕПОСРЕДСТВЕННОГО НАБЛЮДЕНИЯ

УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

Свет от щели падает на объектив, который обеспечивает получение параллельного пучка. Этот пучок проходит через кювету с жидкостью, в которой распространяются ультразвуковые волны. Направление распространения ультразвукового пучка и светового луча взаимно перпендикулярны.

Объектив микроскопа фокусируется на плоскость звуковых волн. В этом случае расстояние между светлыми полосами в стоячей волне равно половине длины ультразвуковой волны, в бегущей волне, наблюдаемой при стробоскопическом освещении –длине волны.

ДИФРАКЦИОННЫЙ МЕТОД

В основе этого метода лежит явление дифракции пучка света на ультразвуковых волнах. Это явление было впервые обнаружено экспериментально в 1932 году Дебаем и Пирсом, Люка и Бикаром независимо друг от друга.

Оказывается, что параллельный пучок света, пересекая ультразвуковой столб среды перпендикулярно направлению распространения волн, дифрагирует как на обычной плоской штрихованной решетке с периодом, равным длине ультразвуковой волны l_УЗ. Положение максимумов при этом определяется соотношением:

(1)

Здесь l_СВ – длина световой волны, l_УЗ– длина ультразвуковой волны a_т, - угол дифракции для спектра n -го порядка

Появления дифракции связано с тем, что обусловленные ультразвуковой волной изменения плотности вызывают изменения показателя преломления, отчего среда становится оптически неоднородной и приобретает периодическую структуру.

Схема для наблюдения дифракции света на ультразвуке, аналогична схеме наблюдения фраунгоферовой дифракции на плоской решетке, приведенной на рис.1.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Источником света служит ртутная лампа ПРК-2, схема включения которой показана на рис.2, где А –ртутная лампа, Др –дроссель низкой частоты, С – конденсатор на 4 мкФ (напряжение 1500 В), амперметр на 5 А, К - телеграфный ключ.

Схема питается от сети переменного тока с напряжением 220 В. Для зажигания лампы кратковременно замыкают ключ К до возникновения разряда в лампе. Необходимо помнить, что если во время работы лампа самопроизвольно погаснет, то включать ее повторно можно только после остывания лампы!!!

Объектив О устанавливают так, чтобы щель оказалась в его фокальной плоскости. Это контролируется с помощью зрительной трубы, установленной на бесконечность. Передвигая объектив по оптической скамье, добиваются резкого изображения щели в трубе.

В сосуд С заливается исследуемая жидкость (бензол). На крышке камеры смонтирована устройство, в котором крепится пьезокерамическая пластинка, плоские поверхности которой покрыты слоем серебра. На эти поверхности подается высокочастотное напряжение от генератора.

Настройка генератора в резонанс с излучающей ультразвук пластинкой осуществляете с помощью конденсатора переменной емкости. Возникновение колебаний можно проконтролировать неоновой лампой. Генератор питается от универсального источника питания УИП-1. Для измерения частоты генератора в работе используется волномер резонансного типа, имеющий следующие характеристики:

1. Диапазон измеряемых частот (волн) 50 кГц - 50 МГц перекрывается шестью сменными катушками.

2. Погрешность измерения:

а) не более ± 0, 75 %. при использовании таблиц;

б) не более ± 0, 5 %. при использовании шкалы.

3. Чувствительность прибора не ниже 0, 8 мВт.

Принципиальная схема резонансного волномера дана на рис.3. Он состоит из прецизионного конденсатора переменной емкости, шести сменных катушек и индикаторного устройства.

Колебательный контур волномера образован конденсатором переменной емкости и одной из шести сменных катушек. Катушки, заключенные в пластмассовые корпуса, подключаются к блоку конденсатора переменной емкости с помощью коаксиального разъема. Конденсатор переменной емкости вместе с индикаторным устройством смонтирован на лицевой металлической панели, которая помещается в деревянный ящик. Ящик внутри хорошо заэкранирован.

Индикаторным устройством, контролирующим настройку контура волномера в резонанс, служит вольтметр, подключенный к контуру через емкостный делитель напряжения.

Настройка прибора в резонанс с частотой генератора производится по максимальному отклонению стрелки стрелочного прибора, расположенного на лицевой панели волномера. Величина измеряемой частоты определяется по шкале конденсатора переменной емкости и градуировочных таблиц, прилагаемых к прибору.

Все элементы управления выведены на лицевую панель. Для измерения частоты необходимо:

1. Связать индуктивно катушку прибора с объектом измерения.

2. Настроить конденсатором переменной емкости контур волномера в резонанс по максимальному отклонению стрелки прибора.

3. Сделать отсчет по шкале конденсатора переменной емкости и с помощью градуировочной таблицы, соответствующей данному диапазону частот, рассчитать величину измеряемой частоты.

Градуировочная таблица

Частота, МГц Отсчет по шкале Делений на 1 МГЦ МГц на одно деление

5, 0 0, 001092

5, 5 0, 001139

6, 0 0, 001176

6, 5 0, 001250

7, 0 0, 001299

7, 5 0, 001351

8, 0 0, 001385

8, 5 0, 001370

9, 0 0, 001661

9, 5 0, 001629

10, 0 0, 001661

10, 5 0, 001684

11, 0 0, 001736

11, 5 0, 001799

12, 5

ХОД ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Для измерения скорости ультразвука при комнатной температуре необходимо:

1. Провести центровку оптической системы. После проведенной центровки заполненный жидкостью сосуд с пьезоизлучателем должен быть установлен так, чтобы лучи света шли параллельно фронту ультразвуковой волны. При невыполнении этого требования дифракционная картина будет иметь нечеткий, несимметричный вид.

2. Плавным изменением емкости переменного конденсатора ВЧ генератора, добиться наибольшего числа дифракционных максимумов. Затем с помощью окулярной шкалы, вмонтированной в зрительную трубу, определить угол дифракции. Измерения провести либо по зеленой линии ( l_З = 5461, 6 А ) либо по желтой линии спектра ( l_Ж =5791, 7 А )

Для определения угла дифракции в радианах надо знать угловую цену деления трубы. Цена деления трубы определяется путём наблюдения в трубу лунного диска. Для трубы, используемой в данной работе, известно, что диаметр лунного диска занимает в поле зрения трубы 80, 5 делений, имея угловой размер 31, 5'.

3. Рассчитав длину звуковой волны и определив частоту ультразвука путем измерения частоты электрических колебаний генератора волномером, определить скорость ультразвука по следующей формуле:

Измерение скорости ультразвука следует провести на резонансной частоте кварцевой пластинки, используя спектры I и II-го порядков. По результатам измерений найти среднее значение скорости ультразвука при данной температуре и определить абсолютную и относительную ошибку измерений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие способы получения ультразвука используются в лабораторной практике?

2. Какова сущность явления дифракции света на ультразвуке?.

3. Каковы области практического применения ультразвука?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. И.Г.Михайлов. Распространение ультразвуковых волн в жидкостях.-М.: Гостехиздат, 1949.

2. Б.Б.Кудрявцев. Применение ультраакустических методов в практике физико-химических исследований. - М.; ФМА, 1952.– С.17-37, 73-79.

3. В.А.Красильников. Звуковые волны.–М.: ФМЛ, 1951.

4. Б.Б.Кудрявцев. О неслышимых звуках. – М.: Просвещение, 1953.

5. Г.С.Ландсберг. Оптика.– М.: ФМЛ, 1954.

6. И.Г.Михайлов, В.А.Соловьев, И.П.Сырников Основы молекулярной акустики.–-М; Наука, 1966.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒