Описание экспериментальной установки

Оптическая схема установки представлена на рис.1.

Рис.1

Источник света S освещает щель G, расположенную в фокальной плоскости F₁ объектива коллиматора, в результате чего на выходе линзы Л₁ формируется параллельный пучок света. Световой пучок пронизывает прозрачную кювету К с водой, в которой распространяются плоские ультразвуковые волны в направлении, перпендикулярном распространению света. Объектив зрительной трубы Л₂ фокусирует пучок на фокальную плоскость F₂. На эту плоскость также сфокусирована линза Л₃, позволяющая визуально рассмотреть увеличенное изображение щели. В отсутствии ультразвука в фокусе объектива Л₂ наблюдается четкое изображение щели S на оптической оси S-S₀ системы. При включении ультразвукового поля вследствие дифракции света на ультразвуке световые лучи, покинув кювету, будут распространяться под разными углами. В результате изображение щели в фокальной плоскости F₂ распадается на систему дифракционных полос, образуя линии 1-го, 2-го и т.д. порядков дифракции. Эти линии будут наблюдаться под различными углами j _k, для которых справедливо соотношение (72.8).

Окуляр-микрометр, содержащий лупу Л₃, позволяет измерять положение дифракционных полос X _kl, где k - порядок дифракционного максимума (k =0, 1, 2 и т.д.), l - длина световой волны данной линии. Если измерить положение линии X _kl и положение линии нулевого порядка X ₀, то вследствие малости угла j _k можно записать

sinj _k = tgj _k =(X _kl - X ₀)/ F (2)

где F - фокусное расстояние объектива Л₂, тогда

L (X _kl - X ₀)/ F = k l. (3)

Неизвестная величина F исключается следующим образом. Выключив ультразвуковое поле, в плоскости выхода света из кюветы устанавливают оптическую дифракционную решетку с известной постоянной D, и наблюдают в плоскости F₂ вызванную ею дифракционную картину. Для углов дифракции справедливо соотношение (71.4) Ввиду малости углов дифракции его можно заменить соотношением

D (Y_{k l} - Y ₀)/ F = k l. (4)

где Y_{k l} - положение дифракционной полосы k-го порядка с длиной волны l для оптической дифракционной решетки с периодом D, Y ₀ - положение щели (максимум нулевого порядка). Выражая из (4) фокусное расстояние F и подставляя его значение в (3), получаем

L (X _kl - X ₀) / k =D (Y_{k l} - Y ₀) / k,

откуда легко выразить интересующую нас величину L. Переменные величины Y_{k l} и X _kl связаны между собой линейной зависимостью:

, (5)

причем a = L/ D, откуда

L= a D. (6)

Отметим, что использование дифракционной решетки с известным периодом позволяет исключить из окончательной формулы величину l - длину волны определенной линии ртутного спектра.

Общая схема установки приведена на рис.2.

Рис.2

В качестве источника света S используется ртутно-кварцевая лампа ПРК-4 с характерным для ртути линейчатым спектром. Длины волн l видимых линий ртутного спектра приведены в следующей таблице.

Источником ультразвука служат колебания пьезокварцевой пластинки, помещенной между электродами ультразвукового генератора Г.

Одним из электродов служит слой фольги между кюветой и пьезокварцем, другим - латунный диск. Пластинка вместе с электродами плотно прижата ко дну кюветы. Для обеспечения хорошего акустического контакта дно кюветы, фольга и пьезокварц приклеены друг к другу слоем масла. Трогать кювету запрещается! Дифракционная решетка Р вставляется в специальный держатель на предметном столике. Регулировка оптической системы линз Л1, Л2 и Л3 осуществляется кремальерами Кр₁, Кр₂ и Кр₃. Окуляр-микрометр Л₃ позволяет измерить положение дифракционных полос с точностью до 0, 01 мм. Генератор Г настроен на резонансную частоту пьезокварца, измеряемую цифровым частотомером Ч в килогерцах.

ПРИМЕЧАНИЕ. Так как для получения ультразвука используется пьезокварцевая пластинка диаметром около 2, 5 мм, а длина ультразвуковых волн в воде составляет величину порядка миллиметра, то можно считать с достаточной точностью, что распространяющиеся в воде волны будут плоскими.

ВНИМАНИЕ! Настройка приборов производится специалистом.