Описание экспериментальной установки

Схема установки приведена на рисунке.

Свет от источника S проходит через конденсор K, светофильтр C и щель G, находящуюся в фокусе объектива O. Свет выходит из объектива в виде параллельного пучка лучей и падает на интерферометр (описание интерферометра см. выше).

Для наблюдения дифракционной картины служит зрительная труба F, сфокусированная на бесконечность. Рефлектор с отсчетным устройством смонтирован на штативе, жестко связанном с кюветой.

Отсчетным устройством служит микрометр, позволяющий измерять перемещение рефлектора с точностью до 0.01мм. Пластинка пьезокварца должна иметь хороший механический контакт со средой. Для этой цели кварц помещается между металлической пластиной (первый электрод) и фольгой (второй электрод) и плотно прижимается ко дну кюветы с помощью пружин. Зазор между фольгой и кварцем с одной стороны, фольгой и дном кюветы  с другой заполняется тонким слоем масла для осуществления хорошего акустического контакта. Ламповый генератор высокочастотных колебаний Г служит для возбуждения ультразвуковых волн в кварце и настроен в резонанс с кварцевой пластинкой на частоту  =(1960±10) кГц. Незатухающие электрические колебания с генератора подаются на электроды (фольгу и наружную металлическую пластинку) пьезокварца и возбуждают в нем механические колебания.

ПРИМЕЧАНИЕ. Так как для получения ультразвука применяется кварцевая пластинка диаметром около 2.5 см, а длина ультразвуковой волны в воде составляет величину порядка миллиметра, то можно считать с достаточной точностью, что волны, распространяющиеся в жидкости, будут плоскими.

ВНИМАНИЕ! Настройка всех приборов производится специалистом.

Порядок выполнения работы

1. Получить резкое изображение щели в трубе.

2. Включить генератор и дать ему прогреться 1-2 минуты.

3. Плавным изменением положения головки отсчетного устройства, жестко связанной с отражателем, добиться наибольшего числа дифракционных максимумов ("нулевое усиление") и заметить начальное положение h₀. Далее, плавно перемещая головку в одном направлении, просчитать определенное число усилений дифракционной картины k (например, k =20). Записать конечное положение рефлектора h_k. Отметим, что чем больше выбранное k, тем точнее получится окончательный результат.

4. Повторить измерения 4-6 раз.

5. По формуле (2) определить  и, обработав результаты методом прямых измерений, определить и .

6. Определить скорость ультразвука в воде U по формуле (72.1). Погрешность U вычислить по формуле

7. Найти по таблице (см.с.1) значения ,  и C_P, соответствующие данной температуре.

8. По формуле (72.4) вычислить _ад

9. По формулам (72.5) и (72.6) определить _из, С_V и .

Содержание отчета

1. Все измеренные значения h₀, h_k, k и вычисленные по ним значения .

2. Рассчитанные величины и , U и U .

3. Полученные из таблицы значения ,  и C_P.

4. Вычисленные величины _ад, _из, С_V и .

ВОПРОСЫ

1. При каких положениях рефлектора наблюдается усиление дифракционной картины?

2. Как изменится дифракционная картина при замене красного светофильтра на синий?

Работа N 72.2. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА БЕГУЩИХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛНАХ

Прежде чем приступить к работе, необходимо ознакомиться с введениями по темам "Интерференция и дифракция света" и "Определение скорости ультразвука оптическими методами".

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определить скорость ультразвука в воде по дифракции света на бегущих волнах и рассчитать _ад, _из, Сv и  для воды.

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ

Напомним, что скорость звука V определяется формулой V = , где   частота. Длину волны ультразвука  в воде можно определить по дифракционной картине света, полученной на бегущих в воде ультразвуковых волнах. Действительно, из формулы (72.8) получаем

 =k/sin_k ( 1 )

где   длина световой волны в воздухе, k - порядок дифракционного максимума и _k  угол, под которым наблюдается дифракционный максимум.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Оптическая схема установки представлена на рис.1.

Рис.1

Источник света S освещает щель G, расположенную в фокальной плоскости F₁ объектива коллиматора, в результате чего на выходе линзы Л₁ формируется параллельный пучок света. Световой пучок пронизывает прозрачную кювету К с водой, в которой распространяются плоские ультразвуковые волны в направлении, перпендикулярном распространению света. Объектив зрительной трубы Л₂ фокусирует пучок на фокальную плоскость F₂. На эту плоскость также сфокусирована линза Л₃, позволяющая визуально рассмотреть увеличенное изображение щели. В отсутствии ультразвука в фокусе объектива Л₂ наблюдается четкое изображение щели S на оптической оси S-S₀ системы. При включении ультразвукового поля вследствие дифракции света на ультразвуке световые лучи, покинув кювету, будут распространяться под разными углами. В результате изображение щели в фокальной плоскости F₂ распадается на систему дифракционных полос, образуя линии 1-го, 2-го и т.д. порядков дифракции. Эти линии будут наблюдаться под различными углами _k , для которых справедливо соотношение (72.8).

Окуляр-микрометр, содержащий лупу Л₃, позволяет измерять положение дифракционных полос X_k, где k  порядок дифракционного максимума (k=0, 1, 2 и т.д.),   длина световой волны данной линии. Если измерить положение линии X_k и положение линии нулевого порядка X₀, то вследствие малости угла _k можно записать

sin_k = tg_k =( X_k  X₀)/F (2)

где F  фокусное расстояние объектива Л₂, тогда

 ( X_k  X₀)/F = k. (3)

Неизвестная величина F исключается следующим образом. Выключив ультразвуковое поле, в плоскости выхода света из кюветы устанавливают оптическую дифракционную решетку с известной постоянной D, и наблюдают в плоскости F₂ вызванную ею дифракционную картину. Для углов дифракции справедливо соотношение (71.4) Ввиду малости углов дифракции его можно заменить соотношением

D (Y_k  Y₀)/F = k. (4)

где Y_k  положение дифракционной полосы k-го порядка с длиной волны  для оптической дифракционной решетки с периодом D, Y₀  положение щели (максимум нулевого порядка). Выражая из (4) фокусное расстояние F и подставляя его значение в (3), получаем

 ( X_k  X₀) / k =D (Y_k  Y₀) / k,

откуда легко выразить интересующую нас величину . Переменные величины Y_k и X_k связаны между собой линейной зависимостью:

, (5)

причем a= /D, откуда

=a D . (6)

Отметим, что использование дифракционной решетки с известным периодом позволяет исключить из окончательной формулы величину   длину волны определенной линии ртутного спектра.

Общая схема установки приведена на рис.2.

Рис.2

В качестве источника света S используется ртутно-кварцевая лампа ПРК-4 с характерным для ртути линейчатым спектром. Длины волн  видимых линий ртутного спектра приведены в следующей таблице.

Цвет линии	Длина волны, нм	Ширина щели G регулируется микровинтом. Коллиматор Кл формирует параллельный пучок лучей, падающий на кювету К, смонтированную на предметном столике.
фиолетовый	405
синий	436
зеленый	546
желтый	578

Источником ультразвука служат колебания пьезокварцевой пластинки, помещенной между электродами ультразвукового генератора Г.

Одним из электродов служит слой фольги между кюветой и пьезокварцем, другим - латунный диск. Пластинка вместе с электродами плотно прижата ко дну кюветы. Для обеспечения хорошего акустического контакта дно кюветы, фольга и пьезокварц приклеены друг к другу слоем масла. Трогать кювету запрещается! Дифракционная решетка Р вставляется в специальный держатель на предметном столике. Регулировка оптической системы линз Л1, Л2 и Л3 осуществляется кремальерами Кр₁, Кр₂ и Кр₃. Окуляр-микрометр Л₃ позволяет измерить положение дифракционных полос с точностью до 0,01 мм. Генератор Г настроен на резонансную частоту пьезокварца, измеряемую цифровым частотомером Ч в килогерцах.

ПРИМЕЧАНИЕ. Так как для получения ультразвука используется пьезокварцевая пластинка диаметром около 2,5 мм, а длина ультразвуковых волн в воде составляет величину порядка миллиметра, то можно считать с достаточной точностью, что распространяющиеся в воде волны будут плоскими.

ВНИМАНИЕ! Настройка приборов производится специалистом.