Дослідження поширення ультразвукових хвиль у рідині
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.
Завдання роботи:
- Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
- Отримати чітке зображення проекції стоячої хвилі в рідині на екрані.
- Розрахувати довжину ультразвукової хвилі в рідині, швидкість її поширення та порівняти з табличним значенням.
Обладнання:
оптична лава, лазер, збиральна лінза, ультразвуковий випромінювач із кюветою, штатив, обмежувальна перешкода, проекційний екран.
Теоретична частина
Швидкість поширення ультразвуку в рідині може бути визначена з основного рівняння зв’язку швидкості, довжини хвилі та частоти ультразвукової хвилі:
(1).
Частота ультразвукової хвилі визначається частотою коливань випромінювача, пов’язаного з генератором електричних імпульсів. Як випромінювач використовується керамічна пластина, яка змінює свою форму за рахунок зворотного п’єзоефекту. Вібрація пластини передається на кювету, заповнену досліджуваною рідиною. За умови наявності в кюветі перепони, яка відбиває ультразвукову хвилю, в ній може виникнути стояча хвиля. У вузлах стоячої хвилі відбувається зміна тиску, що призводить до зміни показника заломлення рідини. Вузли стоячої хвилі в разі освітлення їх променем лазера можуть бути спроектованими на екран як темні смуги, в той час як пучності проектуються у світлі. Оптична неоднорідність рідини під впливом ультразвукової хвилі використовується в цій роботі для визначення довжини хвилі ультразвуку, а заздалегідь відома частота коливань дає можливість розрахувати швидкість поширення ультразвуку.
Розглянемо утворення проекції на екрані та наведемо вирази для розрахунків довжини хвилі.
Як видно з побудови, відстань між смугами на екрані обраховується за виразом:
(2),
де d – загальна ширина проекції, N – кількість смуг на екрані.
Тоді довжина хвилі буде обраховуватися за виразом:
(3).
Установка для проведення вимірювань має довгу оптичну лаву з установленим на ній лазером, збиральну лінзу, кювету для рідини на підставці з ультразвуковим випромінювачем та екран для спостереження.
Метою роботи є експериментальне визначення швидкості поширення ультразвуку в воді та порівняння отриманого значення з табличним значенням.
Хід роботи
- Установіть на столі оптичну лаву і всі компоненти на ній.
- Зчитайте частоту ультразвукової хвилі, що випромінюється генератором, та занотуйте до таблиці.
- Помістіть на підставку випромінювач ультразвуку та, наливши в нього невелику кількість води, встановіть кювету. Заповніть кювету на дві третини водою.
- Розташуйте збиральну лінзу на відстані 10–15 см від кювети. Увімкніть лазер та відрегулюйте положення кювети так, щоб лазерний промінь проходив паралельно дну та давав чітку світлу пляму на екрані.
- Установіть на столі поряд із кюветою штатив та закріпіть у лапці штатива невелику перепону для ультразвукової хвилі так, щоб її площина майже торкалася поверхні води.
- Увімкніть генератор ультразвуку та у місці утворення невеликого підняття рідини торкніться перепоною поверхні води.
- Повільно опускаючи перепону, досягніть чіткого утворення темних смуг на проекційному екрані.
- Виміряйте загальну ширину плями на екрані d та порахуйте кількість темних смуг N, що утворилися.
- Виміряйте відстані s1 та s2. Результат занотуйте до таблиці.
Аналіз даних
- Розрахуйте за виразом (2) відстань d’ між смугами на екрані. Результат занотуйте до таблиці.
- Розрахуйте за виразом (3) довжину стоячої хвилі λ. Результат занотуйте до таблиці.
- Розрахуйте за виразом (1) швидкість поширення ультразвукової хвилі у воді с та порівняйте з табличним значенням.
- Сформулюйте висновок до роботи.
Таблиця результатів
| ν (Гц) | d(м) | N | d’(м) | s1(м) | s2(м) | λ(м) | c, (м/c) | с таб, (м/с) |