Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком (1040531), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Опыты Кундта нетрудно повторить, пользуясь магнитострикционным излучателем ультразвука низкой частоты, Подберите стеклянную трубку длиной 100— 150 мм и внутренним диаметром 8 — 9 мм. Лучше всего использовать для опытов такую трубку, в которую .вибратор входит с минимальным зазором. На концы трубки иадяввчв."резиновые колечки и с но- ва мощью жестяных или пластмассовых скобочек укрепите трубку на каком-либо основании (рис. 51). В трубку равномерным тонким слоем насыпьте легкий сыпучий порошок (например, ликоподий или порошок зубопротезной пластмассы «Протакрил»). Сделать это удобно, пользуясь жестяным желобком, который вместе с насыпанным на него порошком вводится в трубку, а затем переворачивается и удаляется из нее.
В один конец трубки введите торец вибратора магнитострикционного излучателя, а в другой — отражатель, в качестве которого можно использовать небольшой обломок ферритового стержня, Ряс. 51. Прибор для яаблюдеиия стоячей ультразвуковой водны в трубке Куадта. В одно отверстие стеклянной трубки введен отражатель (оттенок феррнтоь ного стеригняк в другое — вибратор низкочастотного иагнитсстрикдиояногс ивлуеателя. Вибратор в каркасе обмотки возбуждения лучше не закреплять. В этом случае нерабочий торец его слегка выйдет из каркаса обмотки и вы сможете поместить на него лезвие бритвы, необходимое для индикации настройки генератора в резонанс с вибратором. Подключите излучатель к ультразвуковому генератору и произведите настройку прибора.
Осторожно перемещайте отражатель по трубке. Вы обнаружите, что при определенных положениях отражателя в трубке устанавливается стоячая волна: порошок собирается в узлах этой волны, отстоящих друг от друга на одинаковые расстояния (рис. 52). Помимо кучек порошка в узлах, в опыте вы заметите тонкие, пленки, причем пленки наибольшей высоты окажутся расположенными в пучностях 89 смещений стоячей волны. Чем объясняется эта своеобразная ребристая структура распределения порошка в трубке Кундта? Вспомните о силах, действующих в ультразвуковом поле на две расположенные рядом сферические частицы. Эти силы стремятся сблизить частицы, если отрезок, соединяющий их центры, ориентирован перпендикулярно к направлению распространения волны, и удалить их друг от друга, если частицы расположены вдоль направления распространения ультразвука. Совокупность таких сил, действующих на многие частицы порошка, приводит, как нетрудно Рнс.
52. Стокчая ультразвуковая волна в трубке Кунака. Слева в тругку введен отражщель, справа †вибрат ввлучателн, В пучностак смещений сюнчек волны обрввуютсн пылевые пленки, влнжайп~ан к отражателю пучность сментений отстоит от него на четверть длины волны. сообразить, к образованию тонких пылевых слоев, ориентированных поперек трубки. Возникновение самих сил обусловлено обтеканием частиц переменным потоком воздуха. Но этот поток имеет максимальнучо скорость в пучностях смещений, а в узлах стоячей волны воздух практически неподвижен.
Поэтому пленки в узлах и не образуются, а в пучностях они имеют максимальную высоту (если вы достаточно тщательно подберете внутренний диаметр трубки Кундта по диаметру вибратора, то сумеете получить в пучностях стоячей волны пленки. почти полностью перекрывающие трубку). Изученное вами явление наблюдается только при значительных интенсивностях звуковой волны, и поэтому его относят к эффектам второго порядка. Экспериментально определите скорость звука в воздухе. Для этого измерьте расстояние между 10— 15 узлами и, разделив его на число промежутков между узлами, определите значение половины длины 90 волны звука в воздухе.
Если у вас под рукой есть штангенциркуль, то вы можете получить более точные результаты, измеряя расстояние не между узлами, а между пучностями стоячей волны, обозначенными тонкими пленками. Далее, зная частоту ультразвукового генератора (а если она вам неизвестна, ее всегда можно найти, измерив длину ферритового вибратора), по формуле с = Х) вычислите скорость звука в воздухе. Обычно в этом опыте получаются значения скорости, близкие к 340 м/с.
Советуем повторить описанный опыт с вибраторами разной длины и затем обработать результаты измерений так, как вы поступали при изучении распространения изгибной волны в пластинках. Анализ этой серии экспериментов покажет, что в исследованной вами области частот дисперсия звука в воздушной среде практически отсутствует. Еще раз внимательно пропаблюдайте стоячую волну в трубке Кундта. Передвигая отражатель, вы заметите, что порошок сдувается с узлов, Объясняетсч это явление, по-видимому, наличием ультразвукового ветра. Ближайшая к отражателю пучность отстоит от него на расстояние, равное половине расстояния между любыми соседними пучностями 'или узлами, т.
е. на расстояние четверти длины ультразвуковой волны. Следовательно, в плоскости отражателя расположен узел смешений стоячей волны. Но в этой плоскости интерферируют две волны (падающая на отражатель и отраженная им), имеющие разность хода, равную нулю. Согласно теории интерференции в точках, где разность хода между волнами равна нулю, расположен максимум интенсивности интерференционной картины,а у вас в опыте получается узел, т. е. минимум. Такой результат можно объяснить только тем, что при отражении звука от акустически более плотной среды фаза волны меняется на и или, как говорят, происходит потеря полуволны. Сопоставьте результат этого наблюдения с тем, что вы обнаружили, делая опыты по интерференции ультразвуковых волн, в бумажном листе и в пластинках. Сделайте соответствующие выводы.
91 Исчерпывают ли описанные опыты и наблюдения те явлении, которые можно обнаружить, следя за поведением порошка в трубке Кундта? Конечно, нет. Совершенно невозможно дать полное описание явлений, происходящих даже в столь ограниченной области, как трубка Кундта. Вы должны это иметь в виду, и поэтому рассчитывать в своей работе больше всего на самих себя. Будет прекрасно, если для себя вы откроете новое явление там, где, казалось бы, уже все известно. Пусть вначале вам не удастся объяснить его.
Но есть книги, библиотеки, вы учитесь, и то, что пока не совсем ясно, станет постепенно понятным. Будет гораздо хуже, если вы пройдете мимо чего-то необычного, не обратите на него внимания, не запишете условий, в которых вы заметили это необычное, посчитаете его ошибкой, потому что в книжке ничего об этом не говорится. Действуя так, можно упустить многое.
Тем, кому асе это кажется недостаточно убедительным, кто думает, что, сделав описанное, он сделал все возможное, мы советуем вообще убрать из трубки Кундта отражатель. Получится ли в таком случае стоячая волна? Если она получилась, то откуда берется необходимая для ее образования отраженная волна? И в трубке, и вне ее воздух, разве может в воздухе от воздуха отражаться звук? А что находится рядом с открытым концом: кучность или узел смещений стоячей волны? А что должно там находиться по теории? Видите, все не так просто. Опыты можно разнообразить бесконечно, и результаты каждого из них достойны изучения. Попробуйте заменить порошок в трубке Куидта жидкостью, например водой.
Для этого вам придется закрыть один конец трубки герметически: введите в трубку отражатель, обмотайте его и конец трубки высоковольтной изолентой и закрутите вокруг места соединения проволоку. Теперь, чтобы получить стоячую волну, нужно передвигать трубку вместе с закрепленным в ней отражателем относительно вибратора магпитострикционного излучателя, 92 Включив ультразвуковой генератор и настроив его н резонанс с вибратором, получите в трубке стоячую волну.
Вы обнаружите, что налитый в трубку слой воды примет вид «застывшей» волны. Рис. 53. К овределенню длины ультраавуковой волны в трубке Кундта с помощью жидкости. Схема установки (а) и ее внешний вид (бу. 1 — линейный источник света, й — тРубка кундта с тонким своем воды, а — отражатель, 4 — вибратор ивлу чателн, б — белый экран, на котором йолучаытсв иэображении источника. Результат опыта объясняется тем, что вода периодически выжимается из пучностей давлений стоячей волны, возникающей в трубке Кундта, и поднимается в узлах давлений.
Пучности давлений совпадают с узлами смещений стоячей волны. Поэтому, если вы будете внимательны, то увидите, что уровень воды в 93 трубке ниже в тех местах, где в предшествующих опытах собирались кучки порошка. Места, в которых жидкость вспучивается, могут действовать подобно собирающим линзам. Если над трубкой Кундта расположить лампу, прямая нить которой перпендикулярна к трубке, то вспучивапия жидкости могут дать изображения нити лампы на помещенном под трубкой экране.
Полученные изображения очень резки и позволяют с большой точностью измерить расстояние между пучностями стоячей волны в газе, заполняющем трубку. Схема и общий вид установки для определения описанным способом длины звуковой волны в воздухе изображены на рис. 53. На двух штативах закрепите лампочку карманного фонаря, трубку Кундта с герметически закрывающим ее отверстие отражателем, магнитострикционный излучатель с ферритовым вибратором длиной 140 — 160 мм и белый экран. Лампочка должна располагаться на расстоянии около 0,5 м от трубки, а ее нить должна быть перпендикулярна к трубке. Белый экран представляет собой фанерное основание, ва котором кнопками закреплена голоска бумаги. Экран должен быть расположен так, чтобы можно было изменять в пределах 5 — 20 см расстояние между ним и трубкой Кундта.
Для работы можно изготовить и более удобный прибор, общий вид которого изображен на рис. 54. Нетрудно видеть (см. рис. 53), что, измерип расстояние а от источника света до слоя жидкости, расрасстояние Ь от слоя до экрана и расстояние хь между 1-м и (1+ 1)-м изображениями источника, по формуле — — А=1, 2, ..., 2а ха (36) можно найти длину волны звука. Чтобы получить на экране изображения источника, созданные вспучиваниями жидкости в трубке Кундта, нужно подобрать оптимальное расстояние между экраном и трубкой. Свет, отраженный от стенок трубки, при этом, как правило, не мешает ни наблюдениям, ни измерениям.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
