Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
становится равной нулю за непрозрачными промежутками решетки и остается
прежней за щелями. Таким образом, обычная дифракционная решетка приводит
к периодическому изменению амплитуды световой волны вдоль ее фронта (если
пло-чжая световая волна падает на решетку нормально). Такую дифракционную
решетку принято называть амплитудной.
Если монохроматический свет проходит через амплитудную решетку, то
дифракционная картина на экране представляет собой семейство изображений
источника света, отстоящих друг от друга на одинаковые расстояния
(предполагается, что наблюдения производят на установке, собранной по
схеме рис. 88. в которой вместо кюветы с жидкостью находится
дифракционная решетка). Эти изображения называются главными максимумами
дифракционной картины. Положение их на экране определяется хорошо
известной формулой
dsin(pfe = &Xc, k - 0, ±1, ±2, (53)
где d-период дифракционной решетки, щ - направление на k-ft максимум
интенсивности (угол между максимумом нулевого и k-то порядка), Кс - длина
световой волны.
Ультразвуковая волна изменяет фронт световой волны, проходящей через
жидкость. Вспомнив, что фронтом волны называется поверхность равной фазы,
заключаем, что наличие ультразвука в кювете с жидкостью приводит к
периодическому изменению фазы вдоль "условного фронта" световой волны.
Любая волна, в том числе и световая, характеризуется тремя параметрами:
амплитудой, фазой и частотой. Поскольку волна - единый реальный процесс,
трудно допустить, что периодическое изменение одного из этих параметров
не влечет за собой соответствующего изменения двух других. Поэтому
разумно предположить, что раз устройство, периодически изменяющее ампли--
ТУДУ световой волны вдоль ее фронта, является
141
амплитудной дифракционной решеткой, то устройство, Периодически
изменяющее фазу волны, является фазовой дифракционной решеткой.
Ультразвуковая волна в кювете с жидкостью тогда, очевидно, может
выполнять роль фазовой дифракционной решетки. ПерИбд такой решетки будет
равен длине волны ультразвука.
Допустив, что ультразвуковая волна в жидкости является фазовой решеткой и
действует аналогично амплитудной, можно считать, что положение максимумов
интенсивности дифракционной картины на экране определяется формулой,
аналогичной формуле (53),
Xsinq>,.e = . k == 0,- ± 1, d-2,..., (54)
где К - длина ультразвуковой волны в жидкости (период фазовой решетки).
Приведенные рассуждения не имеют доказательной силы. Они совершенно
беззащитны: можно указать немало убедительных доводов против этих
рассуждений. Но они небесполезны потому, что предполагают дальнейшую
постановку эксперимента. Опыт покажет, существует дифракция света на
ультразвуковой волне или нет. Опыт подтвердит или опровергнет
справедливость формулы (54). Опыт уточнит предварительные представления
об ожидаемом явлении, которые, безусловно, неполны. Одним словом, только
опыт позволит продвинуться дальше.
Эксперимент по обнаружению дифракции световой волны на ультразвуковой
можно поставить следующим образом (рис. 89). Перед конденсором
проекционного аппарата в том месте, где сходятся световые лучи,
расположите щель регулируемой ширины. С помощью объектива получите
изображение щели на экране, находящемся на расстоянии 2-4 м от объектива.
В этой установке объектив заменяет обе линзы L\ и Ь2, изображенные на
рис. 88. Перед объективом расположите плоскопараллельную кювету из
оргстекла, в которой вертикально укреплен магнито-стрикционный излучатель
на частоту 8-12 МГц (см. рис. 38). В кювету налейте чистый керосин,
включите генератор и настройте его в резонанс с вибратором излучателя. Вы
увидите, как по обе стороны от центрального белого максимума (изображения
щели) по-
142
являются симметрично расположенные слегка окрашенные дифракционные
максимумы интенсивности (рис. 90). При хорошей наладке установки можно
наблюдать до 5 максимумов по обе стороны от центрального.
Для получения дифракционной картины достаточно большой яркости нужно
установить излучатель так, чтобы его вибратор был параллелен
противоположной стенке кюветы. При этом в жидкости образуется стоячая
ультразвуковая волна и амплитуда давлений в ней в два раза больше, чем в
бегущей волне. Поэтому изменения показателя преломления выражены
Рис. 89. Установка для наблюдения дифракции света на ультразвуковой
волне.
1~проекционный аппарат, 2-раздвижная щель, 3-объектив, 4-кювета с
жидкостью и магнитострикционным излучателем, 5-столик.
резче и дифракционная картина имеет большую яркость. Периоды же
дифракционных решеток, образованных стоячей и бегущей ультразвуковыми
волнами, одинаковы, поскольку, как уже отмечалось, свет проходит жидкость
в кювете за ничтожно малое время и бегущую волну при этом можно считать
неподвижной.
Непосредственно убедиться в справедливости последнего утверждения можно,
поставив следующий изящный опыт. Получите стоячую ультразвуковую волну в
кювете с водой и отметьте на экране расстояния между дифракционными
