Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
структура распределения по-рошка в трубке Кундта?
Вспомните о силах, действующих в ультразвуковом поле на две расположенные
рядом сферические частицы. Эти силы стремятся сблизить частицы, если
отрезок, соединяющий их центры, ориентирован перпендикулярно к
направлению распространения волны, и удалить их друг от друга, если
частицы расположены вдоль направления распространения ультразвука.
Совокупность таких сил, действующих на многие частицы порошка, приводит,
как нетрудно
Рис. 52. Стоячая ультразвуковая волна в трубке Кундта.
Слева в труСку введен отражатель, справа-вибратор излучателя. В пучностях
смещений стоячей волны образуются пылевые пленки. Ближайшая к отражателю
пучность смещений отстоит от иего на четверть длины волны"
сообразить, к образованию тонких пылевых слоев, ориентированных поперек
трубки. Возникновение самих сил обусловлено обтеканием частиц переменным
потоком воздуха. Но этот поток имеет максимальную скорость в пучностях
смещений, а в узлах стоячей волны воздух практически неподвижен. Поэтому
пленки в узлах и не образуются, а в пучностях они имеют максимальную
высоту (если вы достаточно тщательно подберете внутренний диаметр трубки
Кундта по диаметру вибратора, то сумеете получить в пучностях стоячей
волны пленки, почти полностью перекрывающие трубку). Изученное вами
явление наблюдается только при значительных интенсивностях звуковой
волны, и поэтому его относят к эффектам второго порядка.
Экспериментально определите скорость звука в воздухе. Для этого измерьте
расстояние между 10- 15 узлами и, разделив его на число промежутков между
узлами, определите значение половины длины
90
волны звука в воздухе. Если у вас под рукой есть штангенциркуль, то вы
можете получить более точные результаты, измеряя расстояние не между
узлами, а между пучностями стоячей волны, обозначенными тонкими пленками.
Далее, зная частоту ультразвукового генератора (а если она вам
неизвестна, ее всегда можно найти, измерив длину фер-рйтового вибратора),
по формуле с = Kf вычислите скорость звука в воздухе. Обычно в этом опыте
получаются значения скорости, близкие к 340 м/с.
Советуем повторить описанный опыт с вибраторами разной длины и затем
обработать результаты измерений так, как вы поступали при изучении
распространения изгибной волны в пластинках. Анализ этой серии
экспериментов покажет, что в исследованной вами области частот дисперсия
звука в воздушной среде практически отсутствует.
Еще раз внимательно пронаблюдайте стоячую волну в трубке Кундта.
Передвигая отражатель, вы заметите, что порошок сдувается с узлов.
Объясняется это явление, по-видимому, наличием ультразвукового ветра.
Ближайшая к отражателю пучность отстоит от него на расстояние, равное
половине расстояния между любыми соседними пучностями или узлами, т. е.
на расстояние четверти длины ультразвуковой волны. Следовательно, в
плоскости отражателя расположен узел смешений стоячей волны. Но в этой
плоскости интерферируют две волны (падающая на отражатель и отраженная
им), имеющие разность хода, равную нулю. Согласно теории интерференции в
точках, где разность хода между волнами равна нулю, расположен максимум
интенсивности интерференционной картины, а у вас в опыте получается узел,
т. е. минимум. Такой результат можно объяснить только тем, что при
отражении звука от акустически более плотной среды фаза волны меняется на
л или, как говорят, происходит потеря полуволны. Сопоставьте результат
этого наблюдения с тем, что вы обнаружили, делая опыты по интерференции
ультразвуковых волн, в бумажном листе и в пластинках. Сделайте
соответствующие выводы.
91
Исчерпывают ли описанные опыты и наблюдения те явления, которые можно
обнаружить, следя за поведением порошка в трубке Кундта? Конечно, нет.
Совершенно невозможно дать полное описание явлений, происходящих даже в
столь ограниченной области, как трубка Кундта. Вы должны это иметь в
виду, и поэтому рассчитывать в своей работе больше всего на самих себя.
Будет прекрасно, если для себя вы откроете новое явление там, где,
казалось бы, уже все известно. Пусть вначале вам не удастся объяснить
его. Но есть книги, библиотеки, вы учитесь, и то, что пока не совсем
ясно, станет постепенно понятным.
Будет гораздо хуже, если вы пройдете мимо чего-то необычного, не обратите
на него внимания, не запишете условий, в которых вы заметили это
необычное, посчитаете его ошибкой, потому что в книжке ничего об этом не
говорится. Действуя так, можно упустить многое.
Тем, кому все это кажется недостаточно убедительным, кто думает, что,
сделав описанное, он сделал все возможное, мы советуем вообще убрать из
трубки Кундта отражатель. Получится ли в таком случае стоячая волна? Если
она получилась, то откуда берется необходимая для ее образования
отраженная волна? И в трубке, и вне ее воздух, разве может в. воздухе от
воздуха отражаться звук? А что находится рядом с открытым концом:
пучность или узел смещений стоячей волны? А что должно там находиться по
