Содержание отчета
1. Результаты измерений в виде таблицы.
2. Расчет трех длин волн для первого, второго и третьего порядков дифракции.
3. Расчет средневзвешенных значений трех длин волн и их погрешностей.
Вопросы
1. Что называется дифракцией?
2. Какими должны быть размеры щели, чтобы наблюдалась дифракционная картина?
3. Что произойдет со спектром, если сместить дифракционную решетку параллельно самой себе?
4. Для каких длин волн будет наблюдаться больший угол дифракции?
5. Что будет наблюдаться, если сместить собирающую линзу параллельно самой себе?
6. Что произойдет со спектром, если закрыть половину дифракционной решетки?
Введение по теме 72. Определение скорости ультразвука оптическими методами
УЛЬТРАЗВУК И ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПАРАМЕТРОВ. Ультразвук это упругие волны с частотами выше условной границы восприятия человеческого уха (от 15 кГц). Звуковые и ультразвуковые колебания частоты , возбуждаемые в жидкости или газе, порождают продольные волны длины (сжатия и разряжения), распространяющиеся в среде со скоростью U в соответствии с формулой
U = . |
(72.1) |
Сжатия и расширения, вызываемые звуковой волной в элементе объема среды, можно считать адиабатическим, поскольку выделяющееся при сжатии (или поглощаемое при расширении) тепло не успевает диссипировать за время одного колебания. Скорость звука зависит от плотности и адиабатической сжимаемости среды ад:
|
(72.2) |
Таким образом, измерение скорости ультразвука дает возможность определить адиабатическую сжимаемость, недоступную для измерений прямыми методами
|
(72.3) |
.
Методы, основанные на измерении уменьшения объема сжимаемой жидкости (газа) позволяют вычислить изотермическую сжимаемость из
|
(72.4) |
.
где T абсолютная температура, коэффициент теплового расширения данной жидкости, ее плотность, CP удельная теплоемкость жидкости при постоянном давлении. В таблице приведены численные значения , и CP при различных температурах для воды.
t0C |
, кг/м3 |
, град-1 |
Cp, дж/кг град |
10 |
999,7 |
0,000088 |
4194 |
20 |
996,2 |
0,000200 |
4181 |
30 |
995,7 |
0,000300 |
4176 |
Связь между величинами из, ад , CP, CV, и определяется соотношением
из /ад = CP /CV , |
(72.5) |
где CV удельная теплоемкость вещества при постоянном объеме.
Эта формула позволяет вычислить отношение теплоемкостей вещества при постоянном давлении и постоянном объеме, что особенно важно для исследования жидкостей, поскольку их теплоемкость при постоянном объеме CV не поддается прямому измерению.
Таким образом, измерив скорость ультразвука в жидкости U, и зная значения CP, и , можно вычислить из, ад , CV, и .
ВОЗБУЖДЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН. В предлагаемых работах по определению скорости ультразвука в воде возбуждение ультразвуковых волн осуществляется с использованием обратного пьезоэлектрического эффекта. Суть прямого пьезоэффекта заключается в том, что во многих кристаллах (пьезокристаллы) при их растяжении или сжатии в определенных направлениях возникает электрическая поляризация. В результате на поверхностях кристаллов появляются электрические заряды обоих знаков. Если к поверхностям такого кристалла подвести электрическое поле, наблюдается обратный пьезоэффект: кристалл сжимается или расширяется в зависимости от направления вектора напряженности приложенного поля.
Если пластинку пьезокварца, отшлифованную перпендикулярно его оси, поместить между обкладками конденсатора колебательного контура лампового генератора, в ней возникнут вынужденные упругие колебания. Как всякая колебательная система, пластинка пьезокварца обладает собственной частотой колебаний. Например, при толщине пластинки 1 мм основная частота ее собственных колебаний равна примерно 2000 кГц, то есть находится в ультразвуковой области. При совпадении частоты вынужденных колебаний (частоты электрических колебаний генератора) с собственной частотой механических колебаний пьезопластинки наблюдается явление резонанса: амплитуда колебаний пластинки по толщине резко возрастает.
Колеблющийся пьезокварц, приведенный в соприкосновение с жидкостью, будет передавать ей колебания, и в жидкости будут распространяться упругие волны той же частоты.