Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
установки настолько просты, что любой из тех, кто умеет обращаться с
обычными инструментами и материалами, может изготовить их буквально за
считанные дни.
Несколько иначе дело обстоит с опытами. Во-первых, описания части опытов
даны в расчете на то, что читатель сможет использовать оборудование,
имеющееся в школьном физическом кабинете. Этого требует логика изложения
материала, и поэтому не будет большой беды, если такие опыты будут
поставлены позднее, после изготовления самодельных приборов.
Во-вторых, - и это существеннее - поставить опыт, вообще говоря, сложнее,
чем изготовить какой-либо прибор. Вначале может показаться, что главное-
сделать ультразвуковой генератор. Конечно, без генератора невозможно
поставить ни один опыт с ультразвуком. Однако успешное изготовление этого
прибора является лишь началом работы. Вы очень скоро почувствуете это,
перейдя от простейших опытов к тем, которые немного посложнее.
Чтобы несколько облегчить экспериментальную работу, автор стремился
изложить условия опытов как можно точнее. Но каждый из вас будет
действовать в конкретных ситуациях, все многообразие которых
предусмотреть просто невозможно. Поэтому почти наверное можно утверждать,
что с первого раза многие из опытов у вас могут и не получиться.
Возможно, это и к лучшему, так как позволит вам остаться один на один с
физическим явлением, почувствовать себя экспериментатором, проводящим
настоящее исследование. Смелее экспериментируйте! Учитесь преодолевать
все трудности на своем пути, и вы познаете ни с чем не сравнимое чувство
общения с самой Природой.
Но смелость не значит бездумность. Вряд ли хорош "экспериментатор", без
разбору сливающий в
5
пробирку разные жидкости, чтобы посмотреть, что из этого получится. Может
быть, из этого что-нибудь и выйдет, но получится ли из такого
"экспериментатора" исследователь, сказать трудно.
Будет очень хорошо, если вы заведете себе тетрадь, в которую самым
тщательным образом станете заносить условия и результаты каждого опыта.
Это отучит вас от беспорядочного "экспериментирования". Вы почувствуете,
как с каждым новым опытом растет ваше знание предмета. Вы сумеете
планировать дальнейший эксперимент, предугадывать его результаты,
сопоставлять и анализировать опыты. Вы поймете причины многих ваших
ошибок и неудач. Одним словом, вы с лихвой окупите то время, которое
потратите на записи.
Экспериментальную работу по ультра а кустике лучше всего начать с
изготовления низкочастотного магнитострикционного излучателя и одного из
электронных генераторов для его возбуждения. После этого желательно
поставить возможно большее количество опытов с ультразвуком низкой
частоты. Когда вы достаточно хорошо освоите низкочастотный диапазон,
можно перейти к опытам с ультразвуком средней и высокой частот.
В заключение следует отметить, что внимание автора на возможности
магнитострикционных излучателей с ферритовыми вибраторами обратил А. Р.
Геннинг. В экспериментальной работе большую помощь оказали бывшие
студенты Р.-Э. Е. Шафир, В-Э. Г. Хохловкин, Ф. Ф. Вавилова, Н. В.
Назаров, Е. С. Мамаева и ряд других. Многие учителя физики г. Глазова
приложили немало усилий, чтобы вместе со школьниками повторить некоторые
из описанных ниже приборов и опытов. Всем им, без чьего труда и
доброжелательной поддержки было бы невозможно написание книги, автор
выражает глубокую благодарность.
В. В. Майер
I. ПОЛУЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
Упругие волны - звук - принято делить на ик-фразвуковые с частотой до 20
Гц, звуковые, частота которых лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц,
ультразвуковые с частотой от 20 кГц до 1000 МГц и гипер-звуковые, частота
которых превышает 1000 Мгц*). Несмотря на то, что слышимый звук и
ультразвук - это волны одной природы, для получения ультразвука заметной
интенсивности необходимо применять специальные излучатели. Два типа
излучателей - пьезоэлектрические и магнитострикционные-пользуются
наибольшей популярностью в науке и технике. Поскольку магнитострикционные
излучатели значительно более доступны, чем пьезоэлектрические, мы в
дальнейшем и рекомендуем изготовление именно этого типа излучателей.
Прежде чем перейти к описанию простых приборов для получения ультразвука,
кратко перечислим основные его характеристики.
ВЕЛИЧИНЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ УЛЬТРАЗВУКОВУЮ ВОЛНУ
Распространяющуюся в среде гармоническую ультразвуковую волну можно
описать уравнением
а = Л sin w(/ - х/с), (1)
где а - смещение частиц среды относительно положения равновесия, А -
амплитуда смещения,
*) Это деление по частоте в значительной мере условно. Поэтому, говоря об
упругой волне частотой, например, 15 кГц, мы иногда ее будем называть
звуковой, а иногда ультразвуковой.
7
(о = 2я/Т = 2nf - круговая частота (Т - период, /--частота волны), t -
время, с- скорость волны, х - текущая координата. Величина ю(? - х/с)
называется фазой волны.
Ультразвуковая волна, как и любая другая, периодична в пространстве и во
времени. Временной период Т и пространственный период К, который
