Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком (1040531), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Тогда в областях сжатия плотность жидкцети возрастает, а в областях разрежения — уменьшается. Чем выше плотность жидкости, тем больше ее показатель преломления, характеризующий гак называемую оптическую плотность. Таким образом, распространение ультразвуковой волны приводит к периодическому -- в пространстве и во времени — изменению показателя преломления жидкости. Однородная жидкость под действием ультразвука становится оптически неоднородной.
Один из основных законов оптики утверждает, что свет в однородной среде распространяется прямолинейно. В оптически неоднородной среде при распространении света в общем случае наблюдается явление дифракцнн †отступление ог прямолинейности распространения света. Следовательно, если в эксперименте удастся обнаружить дпфракцию света на оптических неоднородностях, обусловленных прохождением ультразвука через жидкость, тем самым будет доказано существование этих неоднородностей или, иными словами, непосредственно будет доказано, что ультразвуковая волна представляет собой сжатия и разрежения, распространяющиеся в жидкости. Получить такое экспериментальное доказательство можно с помощью установки, оптическая и акустическая схема которой изображена на рис.
88. В фокальной плоскости линзы Е, расположен линейный источник света, параллельный фронту ультразвуковой волны, распространяющейся в кювете с жидкостью. Через кювету проходит параллельный световой пучок, собиРаемый линзой Ез на белом экРане 3, Расположенном в ее фокальной плоскости. В отсутствие ультразвука жидкость в кювете однородна, и согласно законам геометрической оптики линн" З' на экране является изображением линейного 139 источника Я.
Если на ультразвуковой волне происходит днфракция света, то при включении ультразвука вокруг изображения источника света Б' на экране Э должна наблюдаться соответствующая дифракционная картина. Выясним, какую дифракционную картину следует ожидать на экране. Если в жидкости перпендикулярно к световому пучку распространяется ультразвуковая волна, то в ней возннкают отстоящие друг от друга на длину волны области сжатий и соответственно разрежений. 1зоскольку скорость света в жидкости значительно превышает скорость звука, сжатия и разрежения среды можно считать неподвижными.
Таким образом, для Ь Ь а л а Рис. 88. Схема установки дли наблюдении днфракции света на ультразвуковой волне. Матвитострнкинонвыа излучател ультразвука высокое частоты может быть расиолоизеи как внутри, так и вне «юветы 1в носледнем случае должен быть обссвечеи акустический контакт между вибратором и стсккоа кювстыь света кювета с жидкостью„в которой возбужден ультразвук, представляет собой периодическую в пространстве структуру изменений показателя преломления. Световые волны, проходя через области сжатия, имеющие ббльший показатель преломления, отстают от волн, проходящих через области разрежения с более низким показателем преломления.
В результате, если на жидкость в кювете падает плоская световая волна, из кюветы выходит волна, имеющая сложный фронт, периодически изменяющийся в направлении распространения ультразвука. Обычная дифракцнонная решетка, которую вы изучаете в школьном курсе физики, состоит из параллельных равноотстоящих друг от друга щелей, разделенных непрозрачными промежутками.
Такая решетка 140 не изменяет фронта световой волны: если на нее падала плоская волна, то непосредственно за решеткой она остается плоской. Однако амплитуда световой волны после прохождения дифракцяонной решетки изменяется: она становится равной нулю за непрозрачнымн промежутками решетки н остается прежней за щелями. Таким образом, обычная дифракцнонная решетка приводит к периодическому изменению амплитуды световой волны вдоль ее фронта (еслн плоская световая волна падает на решетку нормально).
Такую дифракционную решетку принято называть амплитудной. Если монохроматнческнй свет проходит через амплитудную решетку, то дифракцнонная картина на экране представляет собой семейство нзобрагкений источника света, отстоящих друг от друга на одинаковые расстояния (предполагается, что наблюдения производят на установке, собранной по схеме рис. 88, в которой вместо кюветы с жидкостью находится дифракцнонная решетка). Эти изображения называются главными максимумами дифракционной картины.
Положение их на экране определяется хорошо известной формулой г(зт%~=Ы„1=0, ~1, ~2, ..., (53) где д — период дифракционной решетки, дь — направление на й-й максимум интенсивности (угол между максимумом нулевого и й-го порядка), Х,— длина световой волны. Ультразвуковая волна изменяет фронт световой волны, проходящей через жидкость. Вспомнив, что фронтом волны называется поверхность равной фазы, заключаем, что наличие ультразвука в кювете с жидкостью приводит к периодическому изменению фазы вдоль аусловного фронта» световой волны.
Любая волна, в том числе и световая, характеризуется тремя параметрами: амплитудой, фазой и частотой. Поскольку волна — единый реальный процесс, трудно допустить, что периодическое изменение одного из этих параметров не влечет за собой соответствующего изменення двух других. Поэтому разумно предположить, что раз устройство, периодически изменяющее амплитуду световой волны вдоль ее фронта, является И1 амплитудной дифракционпой решеткой, то устройство, периодически изменяющее фазу волны, является фазовойдифракционной решеткой. Ультразвуковая волна в кювете с жидкостью тогда, очевидно, может выполнять роль фазовой дифракционной решетки. Период такой решетки будет равен длине волны ультразвука.
Допустив, что ультразвуковая волна в жидкости является фазовой решеткой и действует аналогично амплитудной, можно считать, что положение максимумов интенсивности дкфракционной картины на экране определяется формулой, аналогичной формуле (53), ).з1п~р,,=йЮ,, й=б, ~1, ~2, ..., (54) где Х вЂ” длина ультразвуковой волны в жидкости (период фазовой решетки) . Приведенные рассуждения не имеютдоказательпой силы. Они совершенно беззащитны: можно указать немало убедительных доводов против этих рассуждений.
Но они небесполезны потому, что предполагают дальнейшую постановку эксперимента. Опыт покажет, существует дифракция света на ультразвуковой волне или нет. Опыт подтвердит или опровергнет справедливость формулы (54). Опыт уточнит предварительные представления об ожидаемом явлении, которые, безусловно, неполны. Одним словом, только опыт позволит продвинуться дальше. Эксперимент по обнаружению дифракции световой волны на ультразвуковой можно поставить следующим образом (рис. 89). Перед кондеисором проекционного аппарата в том месте, где сходятся световые лучи, расположите щель регулируемой ширины.
С помощью объектива получите изображение щели на экране, находящемся на расстоянии 2 — 4 м от объектива. В этой установке объектив заменяет обе линзы Е~ и Аъ изображенные на рис. 88. Перед объективом расположите плоскопараллельную кювету из оргстекла, в которой вертикально укреплен магнитострикционный излучатель ва частоту 8 — 12 МГц (см.
рис. 38). В кювету налейте чистый керосин, включите генератор и настройте его в резонанс с вибратором излучателя. Вы увидите, как по обе стороны от центрального белого максимума (нзображения щели) по- 142 являются симметрично расположенные слегка окрашенные дифракционные максимумы интенсивности (рис. 90) . При хорошей наладке установки можно наблюдать до 5 максимумов по обе стороны от центрзгтьного. Для получения дифракционной картины достаточно большой яркости нужно установить излучатель так, чтобы его вибратор был параллелен противоположной стенке кюветы. При этом в жидкости образуется стоячая ультразвуковая волна и амплитуда давлений в ней в два раза больше, чем в бегущей волне.
Поэтому изменения показателя преломления выражены Рис. Зэ. Устаяовка для наблюдения днфраидин света на ультра- авуковой волне. 1 — вроекмионвыя алкарат, 2-раздан~киви щелЬ, 3 — сбьентив, 4 †кюве с мнлкостью и матаитострикннонным излучателем, Л вЂ стол. резче и дифракционная картина имеет ббльшую яркость. Периоды же днфракционных решеток, образованных стоячей и бегущей ультразвуковыми волнами, одинаковы, поскольку, как уже отмечалось, свет проходит жидкость в кювете за ничтожномалое время и бегущую волну при этом можносчитать неподвижной. Непосредственно убедиться в справедливости последнего утверждения можно, поставив следующий изящный опыт. Получите стоячую ультразвуковую волну в кювете с водой и отметьте на экране расстояния между дифракцнонными максимумами. После этого взболтайте в воде очень небольшое количество крахмала. Вы увидите„как яркость дифракционной картины возрастет (если крахмала будет чрезмерно много, она уменьшится из-за поглощения света 143 суспензией), а расстояние между дифракциоиными максимумами на экране увеличится вдвое.
Объясняется этот результат тем, что крахмал коагулирует в пучностях смещений стоячей волны, отстоящих друг от друга на половину длины волны ультразвука в жидкости. Следовательно, добавление в воду крахмала уменыпает период дифракционной решетки вдвое и согласно формуле (54) вдвое должно возрасти расстояние между дифракциоиными максимумами. Увеличение яркости дифракциоиной картины Рвс.
9О. даифракнноннаа картина. экран, на котором иабтподаютск иаксинуыы интенсивности. на саыон Леле белый, однако, чтобы фотографии получилась достаточно контрастнок при печати ее левую часть пришлось «пгредержатьь ткать бальную експоаинею„ чеы правой частик обусловлено тем, что добавление крахмала превращает сравнительно «слабую> фазовую (точнее, фазовоамплитудиую) решетку в «сильную» амплитудную.
Задание 46. Дифракция света на ультразвуковой волне в научных исследованиях часто используется для измерения скорости звука в жидких и твердых прозрачных средах. Разработайте и изготовьте прибор для измерения скорости звука в жидкостях таким методом. Задание 47. Пользуясь в качестве вибратора магиитострикциониого излучателя слегка клиновидной ферритовой пластинкой, средняя толщина которой лежит в пределах 0,2 — 0,4 мм, исследуйте зависимость расстояния между максимумами дифракционной картины от частоты ультразвука, В В опыте можно использовать любой усилитель низкой частоты чувствительностью не хуже 3,5 мВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
