Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
излучателя, обеспечивающего получение ультразвука частотой 1 МГц,
нанесите каплю трансформаторного или иного масла. Пробирку с
приготовленным составом поместите ее дном в каплю. Включите генератор и
настройте его в резонанс с вибратором. Спустя 20-40 с после начала
облучения мутный белесоватый раствор в пробирке станет темно-фиолетовым.
Результат опыта объясняется тем, что при облучении ультразвуком водного
раствора четыреххлористого углерода в нем образуется свободный хлор,
который замещает в йодистом калии йод. Выделяющийся при этом йод
взаимодействует с крахмалом и окрашивает раствор в синий или фиолетовый
цвет. Экспериментально установлено, что реакция наиболее интенсивно
протекает при частотах порядка 300 кГц, причем выделение йода происходит
в пучностях давлений стоячей ультразвуковой волны, возникающей в
растворе.
Задание 45. Поместив рядом с работающим в воде излучателем тонкую
алюминиевую фольгу, еще раз докажите разрушающее действие ультразвуковой
кавитации. Повторите опыт, используя вместо воды 10%-ный раствор едкого
калия. Сравните результаты экспериментов.
138
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЕ
Выше неоднократно отмечалось, что ультразвуковая волна представляет собой
сжатия и разрежения, распространяющиеся в упругой среде. Можно ли
непосредственно с помощью соответствующего эксперимента доказать это
утверждение?
Пусть ультразвуковая волна распространяется в жидкости. Тогда в областях
сжатия плотность жидкости возрастает, а в областях разрежения -
уменьшается. Чем выше плотность жидкости, тем больше ее показатель
преломления, характеризующий так называемую оптическую плотность. Таким
образом, распространение ультразвуковой волны приводит к периодическому -
в пространстве и во времени - изменению показателя преломления жидкости.
Однородная жидкость под действием ультразвука становится оптически
неоднородной. Один из основных законов оптики утверждает, что свет в
однородной среде распространяется прямолинейно. В оптически неоднородной
среде при распространении света в общем случае наблюдается явление
дифракции - отступление ит прямолинейности распространения света.
Следовательно, если в эксперименте удастся обнаружить дифракцию света на
оптических неоднородностях, обусловленных прохождением ультразвука через
жидкость, тем самым будет доказано существование этих неоднородностей
или, иными словами, непосредственно будет доказано, что ультразвуковая
волна представляет собой сжатия и разрежения, распространяющиеся в
жидкости.
Получить такое экспериментальное доказательство можно с помощью
установки, оптическая и акустическая схема которой изображена на рис. 88.
В фокальной плоскости линзы L, расположен линейный источник света,
параллельный фронту ультразвуковой волны, распространяющейся в кювете с
жидкостью. Через кювету проходит параллельный световой пучок, собираемый
линзой L2 на белом экране Э, расположенном в ее фокальной плоскости.
В отсутствие ультразвука жидкость в кювете однородна, и согласно законам
геометрической оптики линия S' на экране является изображением линейного
139
источника 5. Если на ультразвуковой волне происходит дифракция света, то
при включении ультразвука вокруг изображения источника света S' на экране
Э должна наблюдаться соответствующая дифракционная картина. Выясним,
какую дифракционную картину следует ожидать на экране.
Если в жидкости перпендикулярно к световому пучку распространяется
ультразвуковая волна, то в ней возникают отстоящие друг от друга на длину
волны области сжатий и соответственно разрежений. Поскольку скорость
света в жидкости значительно превышает скорость звука, сжатия и
разрежения среды можно считать неподвижными. Таким образом, для
Рис. 88. Схема установки для наблюдения дифракции света на ультразвуковой
волне.
Магнитострикционный излучатель ультразвука высокой частоты может быть
расположен как внутри, так и вне кюветы (в последнем случае должен быть
обеспечен акустический контакт между вибратором и стенкой кюветы).
света кювета с жидкостью, в которой возбужден ультразвук, представляет
собой периодическую в пространстве структуру изменений показателя
преломления. Световые волны, проходя через области сжатия, имеющие
больший показатель преломления, отстают от волн, проходящих через области
разрежения с более низким показателем преломления. В результате, если на
жидкость в кювете падает плоская световая волна, из кюветы выходит волна,
имеющая сложный фронт, периодически изменяющийся в направлении
распространения ультразвука.
Обычная дифракционная решетка, которую вы изучаете в школьном курсе
физики, состоит из параллельных равноотстоящих друг от друга щелей,
разделенных непрозрачными промежутками. Такая решетка
140
не изменяет фронта световой волны: если на нее падала плоская волна, то
непосредственно за решеткой она остается плоской. Однако амплитуда
световой волны после прохождения дифракционной решетки изменяется: она
