Самарченко Лабораторный практикум Оптика 1ч

стоячих волн. Пространственный период этой картины, как показано на рис. 21.3, равен не Λ, а Λ/2.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Работа выполняется на лабораторных оптических комплексах — ЛКО-1 и ЛКО-1М, с использованием модуля расширения МРО-2. Описание ЛКО-1, ЛКО-1М и функциональных модулей содержится в разделе «Описание лабораторных комплексов».

к гнезду генератора УЗЧ.

Волны распространяются в вертикальном канале корпуса 6. В корпусе имеется окно 5 для наблюдения за поведением жидкости под действием ультразвука и для изучения дифракции света на ультразвуке. Рейтер позволяет установить модуль на рельсы оптического комплекса ЛКО1(М).

Верхняя часть корпуса снимается, если ослабить винты на рейтере модуля МРО-2. В неё ввёрнут шток 4 с барабаном 1, по которому с помощью шкалы 2 отсчитывается координата штока. Один оборот барабана смещает шток на 1 мм. Если жидкость полностью

311

заполняет область между излучателем и штоком, то при определённых положениях штока в столбе жидкости возникают стоячие волны.

ЗАДАНИЕ 1

Определение скорости ультразвука с помощью дифракции

где Λ — его длина волны; ν — частота. Если частота известна, то задача сводится к определению длины волны Λ.

С этой целью в данной работе используется вспомогательная дифракционная решетка, период которой d известен. При падении света на такую решетку образуется дифракционный спектр, состоящий из ряда максимумов. Направления на эти максимумы удовлетворяют условию (см. разд. 3.10)

где φ′k — угол, под которым образуется максимум k-го порядка. В нашем случае углы дифракции малы, поэтому sin φ′k = φ′k . Из

сравнения формул (21.1) и (21.3) следует, что

где x′ и x — расстояния между соседними максимумами в дифракционной картине на экране, соответственно, для обычной и ультразвуковой решеток.

Определив x′, x и зная d, можно найти и Λ .

В данной работе используется дифракция Фраунгофера сходящейся световой волны.

1.Отъюстируйте установку. Поместите микропроектор (модуль М3) в точку с координатой z3 =70 см.

2.Соберите схему для наблюдения дифракции в сходящейся световой волне (рис. 21.5): с помощью линзы модуля М5 и объектива О (модуль М6) сфокусируйте лазерный луч в объектной плоскости Э1 модуля М3. На экране каркаса Э2 вы увидите яркую точку. Регулируя микрометрические винты модулей М5 и М6, совмес-

312

тите точку с серединой вертикальной оси экрана Э2. Такая фокусировка возможна при двух положениях объектива О. Из них нужно выбрать ближайшее к модулю М5.

Теперь, если на пути пучка, исходящего из объектива О, поместить дифракционную решётку, то на экране Э2 можно наблюдать увеличенную дифракционную картину.

Рис. 21.5

3.Сначала установите на оптической скамье между объективом

имикропроектором модуль М8. Поместите в него вспомогательную дифракционную решётку с шагом d = 0,6 мм (объект 32). На экране появится дифракционная картина. Запишите координату модуля М8. Если необходимо поверните кассету с дифракционной решёткой, чтобы дифракционная картина была вертикальна. Измерьте по вертикальной линейке положения двух-трёх последова-

тельных максимумов y′k , расположенных справа от центрального

максимума, и столько же слева (учёт максимумов, расположенных дальше от центрального внесёт большую ошибку, так как микропроектор искажает расстояния тем больше, чем дальше мы отходим от центральной точки проектируемой картины). Результаты занесите в заранее подготовленную табл. 21.1.

4.Убедитесь, что в акустооптический модуль залита вода. Если

вакустооптическом модуле отсутствует вода, то, ослабив крепёжные винты акустооптического модуля, снимите верхнюю часть его

корпуса и налейте ≈5 см3 воды в канал. Закройте модуль и затяните крепёжные винты акустооптического модуля (выполняется в присутствии преподавателя или дежурного сотрудника).

313

Уберите модуль М8 и точно на его место поместите акустооптический модуль.

Подключите модуль к генератору (шнур 7 в гнездо «Выход»). Включите генератор. На экране фотоприемника возникнет дифракционная картина от ультразвуковой решётки. Измерьте положения

максимумов yk аналогично п.3. Данные занесите в табл. 21.1.

5. Запишите в лабораторный журнал значение частоты генератора УЗЧ (указана на передней панели). По данным табл. 21.1 вычислите средние значения y′ и y, а также их погрешности. Затем

по формулам (21.4) и (21.2) найдите длину волны Λ = d y′ / y и скорость V ультразвука.

ЗАДАНИЕ 2

Определение скорости ультразвука путём непосредственного наблюдения ультразвуковой решетки

1. Переместите модуль М6 так, чтобы в плоскости Э1 осветить площадку размером 5-7 мм.

Помесите в микропроектор М3 дифракционную решётку — объект 32. На экране Э2 появится увеличенное изображение ре-

шётки. Определите положения 3 ÷ 5 штриховxk′ по горизонтальной

шкале и занесите данные в самостоятельно подготовленную таблицу, аналогичную табл. 21.1.

2. С помощью модулей М5 и М6 сформируйте расширитель пучка, для этого поместите М6 на расстоянии, равном фокусному расстоянию его линзы.

Придвиньте вплотную к микропроектору акустооптический модуль. Включите генератор и вращением барабана добейтесь установления на экране чёткой картинки — стоячей волны (ввиду ма-

314

лости длины ультразвуковой волны, Λ ≈ 0,5 мм, положения барабана, при которых возникает стоячая волна, отличаются на доли миллиметра).

3. Измерьте координаты не менее пяти полос yk . Данные зане-

сите в таблицу.

4. Рассчитайте расстояния между изображениями соседних штрихов дифракционной решётки x′ и полос y .

Найдите длину волны Λ = 2d y / x′ и по формуле (21.2) ско-

рость V ультразвука.

5. Сравните результаты, полученные в первом и втором заданиях.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем отличие фазовой и амплитудной дифракционных реше-

ток?

2.Покажите, что период ультразвуковой решетки одинаков как для бегущей, так и для стоячей волны и равен ее длине волны. Отличаются ли дифракционные картины от стоячей и бегущей ультразвуковых волн?

3.Почему в данной установке невозможно наблюдать бегущую звуковую волну? Можно ли наблюдать бегущие волны при стробоскопическом освещении?

4.Можно ли измерить скорость ультразвука с помощью визуального наблюдения решётки, не пользуясь вспомогательной решёткой? Приведите свой способ.

315

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Светозаров В.В. Элементарная обработка результатов измерений. М.: МИФИ, 2005.

2.Светозаров В.В. Основы статистической обработки результатов измерений. М.: МИФИ, 2005

3.Бутиков Е. И. Оптика. М.: Высшая школа, 1986.

4.Крауфорд Ф. Волны. М.: Наука, 1974.

5.Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.

6.Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. М.: Наука, 1988.

7.Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.4. Оптика. М.: Наука,

1980.

8.Фейнмановские лекции по физике. Вып.3. Гл. 26 — 36. М.:

Мир, 1976.

9.Борн М., Вольф З. Основы оптики. М.: Наука, 1970.

316

317

318