11286

Изучение явления дифракции света на ультразвуковой дифракционной решетке

Лабораторная работа

Физика

Изучение явления дифракции света на ультразвуковой дифракционной решетке Изучение явления дифракции света на ультразвуковой дифракционной решетке: метод указания к лабораторной работе №3. Ростов н/Д: Издательский центр ДГГУ 2011. 10 с. Указания содержат кратк...

Русский

2013-04-05

183 KB

27 чел.

Изучение явления дифракции света на ультразвуковой дифракционной  решетке

  Изучение явления дифракции света на ультразвуковой    дифракционной решетке: метод, указания к лабораторной работе №3. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГГУ, 2011. - 10 с.

Указания содержат краткое описание рабочей установки и методику измерения длины и скорости ультразвуковой  волны. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика»).

Печатается по решению методической комиссии факультета «Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор   к.ф.-м.н., доц. Г.Ф. Лемешко

© Издательский центр ДГГУ, 2011

Цель работы:  

1. Изучить явление дифракции света на ультразвуковой

   дифракционной решетке.

2. Измерить скорость и длину ультразвуковых волн в жидкости

   оптическим методом.

Приборы и принадлежности: установка для наблюдения      дифракции света на ультразвуковых волнах, генератор УЗГ, набор светофильтров.

Краткая теоретическая часть.

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, соизмеримых с длиной волны, встречающихся на их пути, или в более широком смысле — любое отклонение распространения волн от законов геометрической оптики вблизи любых неоднородностей (препятствий).

Ультразвук  представляет собой упругие продольные волны, с частотами >20 кГц. В данной работе для генерации ультразвука используется явление обратного пьезоэлектрического эффекта, который заключается в возникновении в керамической пластинке (из титаната бария – BaTiO3) механических колебаний под действием приложенного к ней переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты.

При резонансе на собственной частоте пластинка получает большие амплитуды колебаний и, следовательно, большие       интенсивности излучаемой ультразвуковой волны1.

Пластинка прикреплена к боковой стенке плоскопараллельной стеклянной кюветы, заполненной жидкостью. Излучающая поверхность пластинки параллельна противоположной стенке кюветы и соприкасается с жидкостью. Излучаемая пластинкой волна и волна, отраженная от противоположной стенки кюветы, могут, интерферируя, образовать продольную стоячую волну. Образование устойчивой стоячей волны приводит к периодическим сгущениям и разряжениям в определенных местах жидкости. Так как показатель преломления увеличивается с увеличением плотности, то в местах сгущений он будет больше, в местах разряжений — меньше. Таким образом, в оптическом отношении жидкость с возбужденными в ней стоячими волнами представляет собой объёмную периодическую структуру. Свет, проходящий через такую структуру, будет испытывать дифракцию. При прохождении света сквозь стоячую ультразвуковую волну    амплитуда световых волн практически не меняется. Различие показателей преломления в  местах сжатия (п1) и разряжения (п2) приводит к образованию оптической разности хода между лучами

,

где l — геометрическая длина пути луча в жидкости.

Так как разность хода связана с разностью фаз соотношением

,

то места сгущений можно считать источниками световых волн  с одной фазой, места разряжений — с другой. Рассмотренная периодическая структура получила название ультраакустической фазовой решётки.

На рис.1 представлена простейшая синусоидальная фазовая решетка в виде плоскопараллельного слоя прозрачного вещества с периодически изменяющимися (по синусоидальному закону) длинами оптического пути для падающих на решетку световых волн.

Период фазовой решетки  равен расстоянию между ближайшими сжатиями или разряжениями, т.е. длине  ультразвуковой волны .

Если на фазовую решётку направить монохроматический свет с плоским фронтом волны (рис.1), то на выходе ультраакустической фазовой решетки фронт волны станет синусоидальным. Оптическая разность хода лучей, идущих из соседних точек одинаковой фазы фронта прошедшей световой  волны равна .

Рис.1. Фазовая решётка. Ход световых лучей и распределение

         интенсивности на экране.

В фокальной плоскости собирающей линзы можно наблюдать дифракционную картину. Положения дифракционных максимумов определяются из условия:

,                         (1)

где   длина ультразвуковой волны,   длина световой волны,

     угол дифракции, m  порядок спектра (m = 0, ± I, ± 2,...).

Значение  можно найти, зная фокусное расстояние F  линзы и измерив расстояние xm между двумя максимумами  m-го порядка (от  до ). Так как угол  мал, то

.                               (2)

Расстояние между максимумами  и  порядков определяется с помощью отсчетного микроскопа как половина произведения цены деления (с) окулярного микроскопа на число делений (n) его шкалы, укладывающихся между максимумами    (-m) и (+m) порядков:

                      .                                       (3)

Решая совместно (1), (2) и (3) относительно , получим:

,                                  (4)

где-длина световой волны; F - фокусное расстояние линзы.

  Зная длину ультразвуковой волны  и частоту   УЗГ, можно определить скорость ультразвука в жидкости:

.                                         (5)

Экспериментальная часть.

Для наблюдения дифракции света на ультразвуковых волнах используется установка, принципиальная схема которой приведена на рис.2. На оптической скамье в главном фокусе линзы Л1 расположена коллиматорная щель Щ, освещаемая лампой накаливания S. Параллельный пучок света после линзы Л1 падает на плоскопараллельную кювету К с жидкостью. К боковой стенке кюветы прикреплен излучатель И, к которому подводится напряжение ультразвуковой частоты от УЗГ. Прошедшие кювету световые лучи собираются в фокальной    плоскости линзы Л2. Получаемая дифракционная картина рассматривается с помощью измерительного микроскопа М в монохроматическом свете. Для получения монохроматического света между линзой Л2 и объективом микроскопа устанавливают светофильтр СФ.

 IV. Порядок   выполнения   работы

  1.  По заданию  преподавателя  установить  определенную  длину тубуса микроскопа L и по таблице, находящейся на столе, определить цену деления c. Все величины занести в таблицу 1.
  2.  Занести в таблицу 1 значение фокусного расстояния F  (указано на рабочем месте).
  3.  Включить подсветку щели коллиматора.
  4.  Установить перед микроскопом светофильтр СФ. Длину световой волны занести в таблицу 2.      
  5.  Включить УЗГ и, наблюдая в окуляр микроскопа, установить ручкой  «подстройка частоты» отчетливую дифракционную картину, записать число делений k  на УЗГ в таблицу 1.
  6.  По градуировочному графику ( на рабочем столе) определить значение частоты  и занести в таблицу 1.
  7.  С помощью микроскопа определить число делений n шкалы, укладывающихся между максимумами 1-го, 2-го, ... N го порядков. Результаты  измерений занести в таблицу 2.
  8.  По формуле (4) вычислить длину ультразвуковой волны, а по формуле (5) - скорость ультразвуковой волны в жидкости.
  9.  Рассчитать абсолютные и относительные погрешности для   и (как для прямых измерений).
  10.  Измерения и вычисления, изложенные в пунктах 3-8,  повторить для других светофильтров. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 2.               

Таблица 1

L

с

n

F

мм

мм/дел

дел

с-1

мм

Таблица 2

Цвет светофильтра-               , =

№/№

п/п

N

n

дел

мм

мм

%

м/с

м/с

%

1

2

3

Ср.

знач.

Цвет светофильтра-               , =

1

2

3

Ср.

знач.

Цвет светофильтра-               , =

1

2

3

Ср.

знач.

Контрольные  вопросы

  1.  Что называется дифракцией света?
  2.  В чем состоит принцип Гюйгенса-Френеля?
  3.  Напишите математическое выражение условия, при которых будут наблюдаться минимумы и максимумы дифракции от одной щели и от дифракционной решетки.
  4.  Что называется периодом (постоянной) дифракционной решетки?     На что и как  влияет изменение его величины?
  5.  Что называется угловой дисперсией и разрешающей способностью дифракционной решетки?
  6.  Как в лабораторной работа получают стоячую ультразвуковую волну?
  7.  Почему стоячая ультразвуковая волна в жидкости обладает свойствами дифракционной решетки? Почему такую решетку называют фазовой?
  8.  Как в работе определяют длину ультразвуковой волны и скорость ультразвука в жидкости?

 

Рекомендуемая  литература 

  1.  Федосеев В. Б. Физика.-Ростов н/Д: Феникс, 2009.
  2.  Грабовский Р.И. Курс физики. СПб.: Лань, 2002.
  3.  Савельев И.В.  Курс общей физики. (т.3). СПб.: Лань, 2006.
  4.  Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. шк. 2004.   
  5.  Андрющенко А.А., Максимов С.М., Последова Н.Г. Волновая оптика: учеб.-метод. пособие-Ростов н/Д: издательский центр ДГТУ, 2010.

Техника безопасности

  1.  К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с её устройством и принципом действия.
  2.  Не следует касаться пальцами поверхностей оптических деталей.
  3.  Не следует перемещать по оптической скамье микроскоп.

Редактор А.А.Литвинова

_________________________________________________________

В печать

Объём 0,5 усл. п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ №     .Тираж50экз. Цена свободная

_________________________________________________________

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

1 Идея кварцевого ультразвукового генератора принадлежит французскому физику П. Ланжевену (1872—1946).

D

j

j

F

-m     -2                       -1                    0                    1                      2        +m

Рис. 2. Принципиальная схема установки  

дифракции света на ультразвуковых волнах

Щ

Л1

СФ

К

Л2

УЗГ

М

220

И

S


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64258. Зоопсихологические исследования в России 30.5 KB
  В своих работах он выступал против представлений о непознаваемости психической деятельности отстаивал необходимость изучать различные формы поведения наравне с анатомией физиологией и экологией животных.
64259. Методы исследования в зоопсихологии 34 KB
  Для того чтобы получить представление о тех или иных психических качествах и процессах у животных зоопсихологи в своих исследованиях анализируют конкретные формы их двигательной активности структуру действий и актов поведения направленных на компоненты среды.
64260. Проблема инстинкта и научения в свете эволюционных учений Ж.Б. Ламарка, К.Ф. Рулье, Ч. Дарвина 32 KB
  Рассматривая историю зарождения и становления зоопсихологии развитие взглядов на психическую деятельность и поведение животных можно заметить что еще древние мыслители предвосхитили в ряде существенных моментов современные взгляды на поведение животных.
64261. Инстинктивное поведение 24.5 KB
  Если же под этим термином подразумевать врожденное наследственно фиксированное видотипичное поведение то его можно для облегчения этологического анализа условно разделить на инстинктивные действия или акты которые в свою очередь состоят из отдельных инстинктивных движений поз звуков и тому подобное.
64262. Пластичность инстинктивного поведения 27.5 KB
  Он пришел к выводу что инстинктивные компоненты поведения животных возникли и развивались под воздействием и контролем естественного отбора. Он указывал что инстинктивное поведение это развивающаяся пластическая деятельность изменяемая внешними воздействиями...
64263. Таксисы. Общая ориентация инстинктивных движений 27.5 KB
  Таксисы это врожденные генетически фиксированные реакции животных на определенные агенты среды которые играют роль направляющих ключевых раздражителей. Таксисы отвечают на направляющие ключевые раздражители и меняют вектор протекания инстинктивной реакции но они не способны обусловливать начало...
64264. Проблема мотивации поведения у животных. Мотивационные системы 32.5 KB
  Традиционное понимание мотивации у животных основано на принципе простой обратной связи а именно изменение во внутреннем состоянии воспринимается и оценивается головным мозгом животного и побуждает его к определенному поведению создает драйв.
64265. Мотивационное состояние 27 KB
  Это одновременно физиологическое и перцептивное состояние представлено в головном мозгу так называемым мотивационным состоянием животного. Оно включает факторы вызывающие как начало деятельности так и поведение животного в данный момент.
64266. Общая характеристика процесса научения 41 KB
  Приобретение и накопление индивидуального опыта связаны с процессами научения которые дают животному возможность более полного и адекватного психического отражения окружающей среды Способность к научению зависит от уровня филогенетического...