Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком (1040531), страница 14
Текст из файла (страница 14)
мы предлагаем вам опыты, позволяющие лишь убедиться в его существовании. На расстоянии около 5 мм от пламени свечи расположите торец вибратора магнитострикционного излучателя. Включите ультразвуковой генератор и настройте его в резонанс с вибратором. При этом вы заметите отклонение пламени, обусловленное идущим от внбратора слабым потоком воздуха (рис. 46). Пламя свечи послужило здесь индикатором ультразвукового ветра. Ультразвуковой ветер можно наблюдать и в жидкости. Чтобы подтвердить это, взболтайте в стакане с водой немного крахмала.
Опустите в жидкость вибратор излучателя и подождите, пока суспгпзия крахмала не успокоится. ПоО дайте в воду ультразвук. Вы увидите, что в жидкости постепенно установится медленное течение, как бы исходящее из торпа вибратора. Задание 24. Эксперименталь- но покажите возможность сушествования ультразвукового ветра на поверхности жидкости. Задание 25, При выполнении заданий 15 и 16 вы построили магнитострикционные излучатели без подмагннчнвания, ферритовые вибраторы которых имели длину 40 — 50 мм. Покажите, что такие излучатели дают более «сильный» ультразвуковой ветер, чем излучатели с вибраторами длиной около 160 мм Попробуйте воспользоваться для обнаружения ультразвукового ветра легким сыпучим порошком (например, ликоподнем), насыпанным перед торцом вибратора.
ФМГуРы хлддки Из оргстекла, эбонита, дюраля и т. п. толщиной 1 — 2 мм вырежьте круг диаметром 10 — 15 см. Положите круг на мягкую прокладку (в качестве которой лучше всего использовать поролон) и равномерно посыпьте его мелкими кристалликами какого-либо не 82 прилипающего к диску вещества. Если диск изготовлен из светлого материала, то в опытах удобно использовать марганцовокислый калий, если из темного — иашатырь, хлорноватокислый калий, сахарный песок.
Торцом вибратора расположенного вертикально магиитострвкциоиного излучателя прикоснитесь к центру круга. Включите ультразвук. При этом кристаллики на поверхности диска сразу придут в движение и через несколько секунд обозначат концеитрические круговые линии (рис. 47). Из анализа ряда предыду-:,".ъ;-;."' ших опытов вы уже знаете, у';.'-" что частицы под действием ультразвуковых колебаний сбрасываются с пучиостей и собираются в узлах.
Такимоб- 3 разом, проделаяный эксперимент показывает, что в круговой пластинке устанавливается ',::.',"'-:"-"".."ж.. .,. ' .'-.".':т.'-".:лэ стоячая воляа. Такая волна, очевидно,воз- Рнс. 4". Узловые ааааа ции падающей от излучателя пластинке на аборта. И ОтРажЕННОй КРаЕМ ПЛаСтИН- Белым кружком обоэначено место касании к пластинке НИ бЕГущИх ВОЛН. ПОсКОлЬку торца вибратара. Перед вклю- ОтражЕНИЕ ПроИСХОдит От аКУ- чением ультраэаука пластин- ка была равномерно пасыстически менее плотной сРеды, пава мелко раадроблыпэыми на краю должна образоваться кРисталликами наюатнР». пучиость смещений стоячей волны.
Эксперимент подтверждает это: первый узел отстоит от края пластинки па расстояние, равное половине промежутка между любыми соседними узлами. Так как расстояние между соседними узлами равно половине длины волны ультразвука в пластинке, то первый узел — в полном соответствии с теорией — образуется иа расстоянии четверти длины волны от края пластинки. Прикасайтесь вибратором к различным точкам посыпанного кристалликами круга. Вы увидите, что при этом каждый раз получаются разные фигуры. Изготовьте треугольную, прямоугольную и т.
д. 83 пластинки. Все они при возбуждении ультразвуковых колебаний дают свои фигуры узловых линий (рис. 48). Эти фигуры называются фигурами Хладни по имени выдающегося ученого — «отца акустики» вЂ” Хладни, впервые наблюдавшего их более полутора веков назад в опытах со звуковыми волнами в пластинках. Рнс.
48. Фигуры Хладна на треугольной абоннтопой пластинке. Белым кружком ебееаеееао месес касаема к пластинке тапка аабратоаа. Теоретическое изучение распространения звука в пластинках показывает, что по пластинке распространяется изгибная волна, скорость которой определяется формулой еек 'Ч Зр» — е) ~( Ч Зр(~ — ое) ' где г( — толшина пластинки, Хя — длина изгибной волны, ) — ее частота, р — плотность материала пластинки, л — модуль упругости н а — коэффициент поперечного сжатия.
Изгибная волна возбуждается вибратором, колеблющимся в направлении, перпендикулярном к плоскости пластинки. Поэтому кажется вполне разумным допущение, что изгибная волна поперечна. Тан мы и предполагали, рассматривая распространение изгибной волны в бумажном листе. На самом же деле, как показывают теория и эксперимент, изгибная волна одновременно и продольна, и поперечна (рис.
49). Сравнив выражение (32) с формулой (24), нетрудно видеть, что скорость звука в пластинке, в отличие от скорости звука в стержне, зависит от ча- 84 стоты нли длины нзгибной волны. Такое явление, как уже отмечалось выше, называется дисперсией скорости звука. Для каждой данной пластинки величина Ч ЗР (1 — от) а„/и г1 л постоянна.
Значит, формула (32) а> утверждает, что скорость звука в пластинке пропор- циональна корню квадратному нз частоты. Этот дис- персионный закон можно записать следующим об- разом: с„1/~ . (33) Поскольку с„= ди), отсюда (и нз формулы (32) ) следует, что Д. — 1/~~Г. (34) Длину изгибной волны в круглой пластинке, возбуждаемой ультразвуком в центре„очень просто определить: измерьте расстояние между соседними узлами кладниевой картины и вы получите значение половины нужной величины. Частоту ультразвука можно изменять, применяя в излучателе вибраторы разных длин. Основная собственная частота вибратора длиной 1 по формуле (18) равна ) = с/21, рнс.
49. Схеагатичесние изображения поперечной и изгибной волн. а — в паперечвой волив колсбавия частиц твердого тала происаодят е «апра. влеквв, строго псрпеадикуляриом к направлению распространения волам б — иагибиея волна одиовремекио продольив и поперечиа: частицы пластввкв. па которой распростравяетса волка,совершают сложиое колсбательаое движение, имеющее составля1ощие,перпевликуляриые и параллельные к ваправлгиюо распростравеиия волны; чисто попсрсчаая волна, как покааывает отематкчесиий рисунок, распростравяегся толико по среднему сечекию пластквки.
где с — скорость звука в феррите. Подставляя это значение частоты в формулу (34), получаем, что (35) Таким образом, если вы экспериментально покажете, что длина волны в пластинке пропорциональна корню квадратному из длины вибратора, используемого для получения изгибной волны в этой пластинке, то тем самым вы докажете справедливость формулы (ЗЗ) и одновременно убедитесь в существовании дисперсии для изгибных волн.
Изготовьте ферритовые вибраторы длиной 50, 80, 120„160 мм и ими возбуждайте колебания в центре одной и той же круглой пластинки. Измерьте соответствующие разным частотам длины изгибных волн. Чтобы повысить точность измерений, вы можете вначале найти расстояние между несколькими (например, десятью) узловыми линиями, а затем поделить его на число промежутков между узлами и умножить на два. Результаты измерений занесите в таблицу. Далее обработайте полученные результаты непосредственных измерений. Формулу (35) можно переписать в виде Х„=а~/1,где а — какой-то коэффипиент.
Чтобы избавиться от него, поделите все значения длины вибратора и длины изгибной волны на наибольшие 1 и Х„. По полученным данным нанесите в декартовой системе координат точки, соответствующие экспериментальным результатам. Теперь вычислите значения Т/1/~ и постройте в той же системе координат график функции у = ~/1/1 . Вы обнаружите, что экспериментальные точки неплохо ложатся на теоретически построенный график.
Тем самым вы доказали справедливость формулы (35), а значит, и формулы (ЗЗ). Внимательно проанализируйте все рассуждения. Убеждены ли вы в том. что экспериментально подтвердили справедливость теории? Во всяком случае, вы должны хорошо представлять себе главное, что сделали: доказали, что скорость звука в пластинке пропорциональна корню квадратному из частоты. 86 Задание 26. Получите Фигуры Хладнн на диске толщиной 1 — 2 мм, вырезанном из текстолита. Если вибратор касается диска в центре, то получается картина узловых линий, подобная приведенной на рис.
50. Сравните результат опыта с теми, которые вы наблюдали при использовании дисков из алюминия и оргстекла. Кайте объяснение явлению. Рнс. 60. Фигуры Хлакни на круглой пластинке нз тексголитк, колебании которой возбужкаютсн н разных точках. Задание 27. Попробуйте получить фигуры Хладни в звуковом диапазоне частот, возбуждая пластинки колеблющейся стеклянной трубкой (см. задание 2).
Существует ли явление дисперсии изгибных волн в звуковом диапазоне частот? Задание 28. В генераторе, предназначенном для получения ультразвука средней частоты (см. рнс. 22), замените контурный конденсатор постоянной емкости СЗ школьным демонстрационным конденсатором 87 переменной емкости. К выходу генератора подключите магнитострикционный излучатель, состоящий из ферритового вибратора длиной 15 — 20 мм, свободно расположенного на магнитах (см. рис.
26). На верхний торец вибратора аккуратно нанесите каплю воды, в которой взвешено небольшое количество крахмала. Включите генератор и конденсатором переменной емкости изменяйте частоту электрических колебаний. Изучите происходящие при этом явления. Задание 29. На рабочую поверхность ферритового вибратора магнитострикционного излучателя, обеспечивающего получение ультразвука частотой 1 МГц (см, рнс.
33), нанесите каплю воды со взвешенным в ней крахмалом. Настройте генератор в резонанс с вибратором. Что вы при этом наблюдаете? Сделайте из опыта соответствующий вывод. стоячая хльтядзвуновдя волил в воздухе Еще в прошлом веке немецкий физик Кундт поставил первые опыты со стоячей звуковой волной в газах.
В опытах он использовал горизонтально расположенную стеклянную трубку, в которой тонким слоем равномерно были насыпаны мелкие (пробковые) опилки. В один конец трубки был введен звуковой излучатель — закрепленный посередине стеклянный стержень, продольные колебания которого возбуждались трением. В другой конец трубки свободно входил поршень — отражатель. Изменяя положение отражателя, можно было добиться того, чтобы между излучателем и отражателем устанавливалась стоячая волна. При этом порошок в трубке собирался в кучки, обозначая узлы смещений стоячей волны. По известной частоте звука и измеренной в опыте длине волны можно было определять скорость звука в газе„заполняющем трубку.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
