Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком (1040531), страница 17
Текст из файла (страница 17)
.Меняя сопротивление резистора, можно добиться равенства по абсолютной величине токов, проходящих через миллиамперметр. Поскольку рассматриваемые токи имеют противоположные направления, общий ток, протекающий через прибор, будет равен нулю. .Таким образом, схема позволяет скомпенсировать значительный по величине постоянный ток, который потребляется от источника питания ультразвуковым 10! генератором, и, следовательно, наблюдать неболь. шие изменения этого тока, вызванные реакцией излучателя.
Для проведения эксперимента удобно использовать отдельный источник питания и ультразвуковой генератор, собранный на открытой панели ~рис. 60). Если генератор собран в корпусе, то следует разорвать цепь его питания и вывести два проводника для подключения схемы компенсапии наружу. Ряс. 60.
установка для прояеденяя опытов с ультрааауковым ннтерферометром. При сборке цепи компенсации используйте одну или две батарейки для карманного фонаря, переменный резистор с максимальным сопротивлением 250— 500 Ом и авометр, например, типа Ц-20. Собрав установку, включите питание генератора и подсоедините в цепь батарейку. Только после этого можно включить в цепь авометр, причем использовать его следует как миллиамперметр с наибольшим пределом измерения (у авометра типа Ц-20 этот предел равен 750 мА), Настройте генератор в резонанс с вибратором.
Изменяя переменным резистором величину тока компенсации, добейтесь, чтобы стрелка прибора оказалась вблизи нуля шкалы, а затем переключите миллиам10з перметр на меньший предел измерения и вновь повторите операцию компенсации тока. Описанным способом вы должны дойти до предела измерения ЗО мА и установить переменным резистором стрелку милли- амперметра посередине шкалы.
Если в вашем распоряжении нет авометра, то вместо него можно использовать любой мнллиамперметр с пределом измерения не больше 30 мА, рассчитав и изготовив по приведенным выше данным (для прибора Ц-20) шунтирующие его резисторы. Настроив схему компенсации, начинайте опыт. Изменяя вращением винта струбцины степень сжатия чЖ М Рис бн График зависимости изменения тока, потребляемого ультразвуковым генератором, от высоты столба асидкости (воды) над излучателем. груши, постепенно увеличивайте высоту столба жидкости над вибратором.
При атом вы будете наблюдать, как стрелка прибора колеблется в такт с изменением громкости кавитационного шума, и сможете отмечать минимумы и максимумы потребляемой излучателем мощности значительно точнее, чем на слух. Если установка отлажена достаточно хорошо, то стрелка прибора в опыте будет колебаться почти на всю шкалу. Столь значительные колебания стрелки позволят даже снять график зависимости изменения потребляемого генератором тока от высоты столба жидкости в трубке. Вы получите кривую, подобную той, которая нами снята в аналогичном опыте и изображена на рис. ОЕ По графику нетрудно с достаточной точностью определить длину ультразвуковой волны в жидкости и по известной частоте вычислить скорость звука.
1ОЗ В нашем опыте для скорости звука в воде получилось значение с = Ц = 1350 м/с. Будет совсем неплохо, если вы получите близкую величину: табличное значение скорости звука в воде равно !495 м(с. Различие между табличной и измеренной в опыте скоростью звука объясняется, во-первых, относительной «грубостью» экспериментальной установки и, во-вторых, тем, что стеклянная трубка с жидкостью представляет собой волиовод, скорость звука в котором отличается от скорости звука в свободной жидкости.
При исследовании зависимости потребляемого генератором тока от высоты столба жидкости над вибратором нередко вместе с «нужными» изменениями тока у вас будут получаться «ненужные» небольшие максимумы и минимумы. Их называют сателлитами (спутниками), Теория этого интересного явления непроста, и в нескольких словах ее не объяснить. Мы обращаем ваше внимание на сателлиты лишь для того, чтобы вы не смущались: их появление обусловлено не несовершенством вашей экспериментальной установки„а самим существом происходящих в ней физических явлений.
Магнитострикционный излучатель ультразвука средней частоты с ферритовым вибратором длиной около 20 мм позволяет поставить удивительные по красоте опыты со стоячей ультразвуковой волной в жидкоств. Излучатель подключите к ламповому ультразвуковому генератору и поместите на торец вибратора каплю воды. Включите генератор и настройте его в резонанс с вибратором так, чтобы капля на торце начала колебаться.
В заранее приготовленный до опыта высокий стакан налейте дистиллированную или прокипяченную воду, а на его дно поместите слой крахмала толщиной в несколько миллиметров, стеклянной трубкой (внутренним диаметром 3 — 5 мм) сильно взболтайте крахмал так,чтобы образовалась однородная суспензия белого цвета. Той же трубкой наберите получившуюся взвесь крахмала в воде и, закрыв верхний ее конец пальцем, поместите нижний ее конец на торец вибратора работающего излучателя.
При этом в столбе воды в трубке устанавливается стоячая ультразвуковая волна: через несколько секунд она 1 в« отчетливо обозначается собравшимися в ее пучностях частицами крахмала (рис. 62). Когда вы помещаете на торец вибратора трубку с с)спензней крахмала в воде, собственная частота вибратора слегка изменяется, так что для получения стоячей волны, возможно, потребуется небольшая подстройка частоты колебаний, даваемых ультразвуковым генератором.
В целом же опыт очень прост иполучается всегда, если излучатель работает нормально. Внимательно рассмотрите стоячую ультразвуковую волну в трубке. Вы замечаете, что крахмал собирается в плотную область (как говорят, коагулирует) непосредственно у поверхности жидкости в трубке. Поскольку е1' поверхность жидкости свободна, в ее плоско- Рис. 62. Стоячая ультразвуковая ность смещений стоя- волна в жидкости. чей волны.
Таким об- в„, нспользозан магллнто~рлгкп он- раЗО1М ОП11Т ПОКаЗЬ! нын нзглучатель для получении ультрз- зеука сренней частоты. С полынью лн- ИЗЕТ, ЧТО КракнаЛ КО- нейкн, закрепленной яа стойке язлуча- теля, можно измеРить Алину ультра- атуЛИруЕТ В Пут!НОСТяХ ззукопой волны. Крахмал коагулнрует СМЕщЕНИй ИЛИ уэ11аХ з пучностях сллепленнй стоячей полны.
Полезно сраянлгть зту вотографнпо с той, давлений стоячей уль- которая прнзедена на рнс. аа. тразвуковой волны. Однако так происходит не всегда. В этом нетрудно убедиться на примере эмульсии керосина в воде, Кратко рассмотрим способ получения эмульсии керосина в воде для опытов со стоячей волной.
В сосуд, имеющий в своем дне кран (или просто закрывающееся отверстие), налейте воду, а поверх нее — слой керосина. Погрузите ферритовый вибратор низкочастотного магнитострикционного излучателя, 105 обеспечивающего получение ультразвука частотой порядка 20 кГц, до границы раздела жидкостей и включите ультразвук.
При этом в воде образуется белая эмульсия керосина. Для ускорения процесса можно передвигать излучатель вверх и вниз, чтобы его работающий вибратор многократно пересекал границу между несмешивающимися жидкостями. Дайте приготовленной эмульсии некоторое время рис. 63. Стоячая ультраавуковая волна в жидкссттг. а. В трубке находится эмульсия керосина я ноле.
Керосин коегулирует в узлах см«гленна стоячей волны. полезно сравнить Результат этого опьпа с опытами, фотография которых привелевы на рнс. 57, 58 и аи б. В трубке опновремейно нахолятс» суспензия крахмала в воде н эмульсия керосина в воде. Крахмал коагулирует в пучностях, в керосин — в узлах смешений стоячей волны. отстояться, чтобы относительно крупные капли керосина успели всплыть вверх, и, открыв кран внизу сосуда, аккуратно слейте эмульсию в пробирку, отделяя ее тем самым от керосина, Для успешной постановки опыта важно отсутствие в эмульсии крупных капель керосина (эмульсия на вид должна быть совершенно однородной). Полученную эмульсию наберите в стеклянную трубку и поместите ее на вибратор ультразвукового излучателя средней частоты точно так же, как вы зто делалн при использовании суспензии крахмала в во- эссэ де.
Спустя некоторое время после начала облучения (обычно значительно превышающее время, необходимое для коагуляции крахмала в воде) можно увидеть, как мельчайшие капельки керосина коагулируют, но теперь уже не в пучностях, а в узлах смещений, причем верхний узел отстоит от поверхности жидкости на четверть длины волны ультразвука.
Из опытов следует вывод, что диспергированное (размельченное) в жидкости вещество коагулирует в узлах смещений, если его плотность меньше плотности жидкости, и в пучностях смещений стоячей волны, если его плотность превышает плотность жидкости. Для более эффектного подтверждения этого вывода можно провести опыт одновременно с эмульсией керосина и суспензией крахмала в воде. В последнем случае, поскольку керосин коагулирует в узлах смещений, а крахмал — в узлах давлений, эти вещества окажутся в трубке пространственно разделенными (рис. 63). Сравните эти опыты с экспериментами со стоячей волной в трубке Кундта.Не правда ли, явления, происходящие в них, очень похожи2 Задание Зз.
Постройте модель ультразвукового интерферометра, пользуясь магнитострикционным излучателем ультразвука средней частоты. Ламповый генератор, обеспечивающий работу излучателя, питается переменным током. Означает ли это, что в схеме компенсации нельзя использовать измерительный прибор постоянного тока? Задание ЗЗ. Применяя магнитострикционный излучатель, обеспечивающий получение ультразвука средней частоты, измерьте скорость звука в суспензии крахмала в воде. Оцените точность этих измерений по сравнению с точностью аналогичных измерений, которые можно сделать, пользуясь низкочастотным излучателем и суспензией алюминиевой краски в ацетоне.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
