Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
этом 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. 61. По графику нетрудно с
достаточной точностью определить длину ультразвуковой волны в жидкости и
по известной частоте вычислить скорость звука.
103
В нашем опыте для скорости звука в воде получилось значение с ~ Xf - 1350
м/с. Будет совсем неплохо, если вы получите близкую величину: табличное
значение скорости звука в воде равно 1495 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 волновод, 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 жидкости.
Излучатель подключите к ламповому ультразвуковому генератору и поместите
на торец вибратора каплю еоды. 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 3-6 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
104
отчетливо обозначается собравшимися в ее пучностях частицами крахмала
(рис. 62).
Когда вы помещаете на торец вибратора трубку с суспензией 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 и получается 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
поверхность жидкости свободна, в ее плоскости образуется пучность
смещений стоячей волны. Таким образом, опыт показывает, что крахмал
коагулирует в пучностях смещений или узлах давлений стоячей
ультразвуковой 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
Рис. 62. Стоячая ультразвуковая волна в жидкости.
В опыте использован магнитострнкцион-ный излучатель для получения
ультразвука средней частоты. С помощью линейки, закрепленной на стойке
излучателя, можно измерить длину ультразвуковой волны. Крахмал
коагулирует в пучностях смещений стоячей волны. Полезно сравнить эту
фотографию с той, которая приведена на рис. 58.
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 ультразвуковая волна в жидкости.
а. В трубке находится эмульсия керосина в воде. Керосин коагулирует в
узлах смещений стоячей волны. Полезно сравнить результат этого опыта с
