Обнинский институт атомной энергетики.
Кафедра общей и специальной физики.
Выполнил : Стешов В.Н.
Проверил: Карманов Ф.И.
Обнинск 2000
Работа »8
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ Введение
В настоячрй работе наблюдается дифракция света на ультразвуковых волнах в жидкости- Дифракционная картина используется для определения длины акустической волны в жидкости. По измеренной длине волны и задаваемой частоте вычисляется скорость распространения упругой волны в жидкости.
При распространении света в жидкости, в которой возбуждены упругие волны достаточно малой длины (ультразвуковые), происходит дифракция света.
Упругие деформации в звуковой волне (рис.1) приводят к периодическому изменению показателя преломления ft жидкости, в результате чего в жидкости возникает периодическая структура, аналогичная дифракционной решетке, с периодом равным длине звуковой волны Л . Особенностью такой структуры, отличающей ее, например, от системы чередую'цихся прозрачных и непрозрачных параллельных полосок (амплитудная дифракционная решетка), является то, что амплитуда световых колебаний при достаточно тонком слое жидкости остается постоянной по всему фронту волны, а изменяется вдоль направления, перпендикулярного распространению света (рис.1), оптическая длина пути - Г)Я , то есть фаза колебаний (такие дифракционные решетки называются фазовыми).
Поэтому плоский фронт световой волны на выходе из слоя жидкости оказывается гофрированным - его форма отражает зависимость И (2). Каждый малый участок фронта будет источником когерентных волн, распространяю'цихся под малыми углами друг к другу. Интерферируя, они образуют дифракционную картину.
Направления на дифракционные максимумы после выхода света из такой фазовой решетки можно определить тем же условием, что и для амплитудной дифракционной решетки
где У - угол дифракции, Л1= I, 2, 3, ... - порядок дифракционного максимума; Л. - длина световой волны; Л - период решетки (длина ультразвуковой волны).
|
|
Если дифракционная картина рассматривается в фокальной плоскости линзы, имеючрй фокусное расстояние F (рис.2), то для малых углов дифракции положения максимумов опишутся соотношением _ - с
где Z - координата /Т»-го дифракционного максимума, отсчитанная от центра дифракционной картины.
Измеряя расстояния между максимумами и минимумами и пользуясь формулой (2), можно определить длину акустической волны в жидкости - Л • Поскольку частота ультразвука задается генератором и измеряется независимо от у\ , то скорость звука в жидкости V может быть найдена по формуле
|
|
(/= Л V . (3)
В заключение отметим некоторые моменты,относящиеся больше к акустике, чем к оптике, но существенные для понимания проводимого эксперимента.
Для наблюдения четких дифракционных полос необходимо, чтобы в жидкости существовали достаточно большие перепады плотности и обусловленные ими перепады показателя преломления, т.е. акустическая волна должна иметь достаточную интенсивность. Волны в жидкости возбуждаются колебаниями пьезоп ласт инки. Амплитуда колебаний достаточно велика, если частота подаваемого на пластину электрического напряжения будет близкой к одной из собственных частот пластины. Набор собственных частот для пластины из определенного материала зависит от толщины пластины и условий, в которых находятся ограничивайте ее поверхности (краевых условий). Таким образом, для наблюдения дифракции на каждой конкретной установке очень важно найти те оптимальные частоты ультразвуковых колебаний, при которых появятся резкие дифракционные полосы.
Если дифракция происходит на ультразвуковой волне, то распределение значений показателя преломления в направлении, перпендикулярном распространению света - M^Z)- не является статическим, как в фазовых решетках, изготовленных из какого-нибудьпрозрачного материала. Однако ято обстоятельство не отражается на угловом распределении дифракционных максикумов, так как время прохождения света сквозь решетку мало по сравнению с периодом акустического колебания, и почтому дифракционное условие максимума (I) определяется мгновенным распределением показателя преломления в акустической волне. Если дифракция происходит на бе-гучрй волне с перемещающимися вдоль Z максимумами и минимумами /7 , то это равносильно параллельному перемечрнию всей решетки с неизменным периодом Л ; такое перемещение не изменяет получаемой дифракционной картины. Реализация бегущей волны в лабораторных условиях возможна, если конструкция сосуда с жидкостью такова, что исключает попадание отраженной акустической волны в ту область, через которую проходит свет. В нашей установке волна, идущая от дна сосу да, отражается от верхней свободной поверхности' жидкости и в результате образуется стоячая акустическая волна, что равносильно неподвижной решетке с тем же периодом Л
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
