Физика. Пять работ практикума в старших классах

Высокочастотный генератор с излучателем, колебательным контуром и другими принадлежностями, описанными ниже, позволяет поставить в школьном физическом практикуме три лабораторные работы:

1. Определение скорости ультразвука в жидкости и твердом теле.
2. Определение диэлектрической проницаемости.
3. Определение магнитной проницаемости.

Высокочастотный генератор собран на лампе 6П1П (рис. 105). Он перекрывает диапазон 1,0— 1,4 мгц и градуируется по шкале сетевого приемника. В качестве переменного конденсатора С і применяется полупеременный конденсатор типа КПК-2 емкостью 8—60 пф. К упругим лепесткам крестовины конденсатора приклепывается текстолитовый диск диаметром 60 мм, на который наносится шкала частот генератора. Общий вид генератора изображен на рисунке 106.

Катушка индуктивности (90 витков) наматывается из провода диаметром 0,9 мм; отвод делается от 40 мм. Конденсатор С₂ имеет емкость 1000 пф; емкости конденсаторов С₃ и С₄ равны по 130 пф; сопротивление R — 15 ком. Питается генератор от школьного кенотронного выпрямителя. Для подключения питания в бортик генератора вмонтирована фишка (цоколь восьмиштырьковой электронной лампы, например, 6Ж7). Фишка соединяется со шлангом. Шланг состоит из четырех проводов, на одних концах которых укреплены наконечники, а другими концами провода припаяны к восьмиштырьковой ламповой панели. Панель монтируется в укороченном осветительном патроне.

Ультразвуковой излучатель (рис. 107, а, б) состоит из корпуса А, выполненного из плексигласа, латунного кольца Б, алюминиевой крышки В и пружины Г. Вместо кварца мы применяем пьезокерамическую пластинку ЦТС диаметром 20 мм и толщиной 1,8 мм. Для определения скорости ультразвука в твердом теле вытачивается алюминиевый цилиндр D.

Колебательный контур (рис. 108) состоит из катушки и двух сменных конденсаторов. Катушка 1 аналогична катушке генератора, только в ней нет среднего вывода. В качестве переменного конденсатора 2 применяется смонтированный на гетинаксовой панели конденсатор типа КПК-2 емкостью 25—150 пф. К конденсатору крепится диск со шкалой емкостей. Для удобства присоединения конденсатора с катушкой к панели, на которой смонтирован конденсатор, крепятся наконечники. Один провод от пластины к наконечнику разрывается.

В месте разрыва ставятся зажимы, к которым подключается вилка с лампочкой 3 на 0,07 ампера. Кювета-конденсатор 4 с внутренними размерами 100 X 50 X 20 мм склеивается из изолирующего материала. На малой грани кюветы-конденсатора нанесены миллиметровые деления. К граням 100 X 50 мм приклеиваются с внутренней стороны алюминиевые пластины. Пластины соединяются с зажимами. Аналогичные пластины 5, которые можно вводить в кювету, крепятся к крышке кюветы с помощью пружины и зажима. К внешней стороне пластин приклеиваются изолирующие пластинки 6 размером 20 X 5 мм толщиной 1 мм. Таким образом, при введенных в кювету пластинках расстояние между обкладками конденсатора будет 1 мм. На крышке кюветы есть еще один свободный зажим для удобства подключения вилки с лампочкой.

Работа 1. Определение скорости ультразвука. Оборудование: генератор, излучатель, кенотронный выпрямитель, микрометр, авометр, штатив, спирт или глицерин.

Скорость ультразвука в жидкости определяется методом ультразвукового интерферометра. Если на некотором расстоянии от колеблющейся кварцевой пластинки расположить плавно перемещающийся рефлектор с отражающей поверхностью, параллельной поверхности излучающей пластины, то ультразвуковая волна, отражаясь от рефлектора, вновь попадет на излучающую пластину. Таким образом, между пластиной и рефлектором распространяются две встречные волны одинаковой частоты.

При определенных положениях рефлектора возникают стоячие волны. Если расстояние между пластиной и рефлектором равно целому числу полуволн, то пластина почти не колеблется. При изменении расстояния на четверть длины волны пластина колеблется с наибольшей амплитудой, и в этом случае отдается наибольшая мощность. Таким образом, при перемещении рефлектора периодически возникают стоячие волны и при этом периодически меняется мощность излучения. Но мощность излучения связана с анодным током генератора.

Значит, можно наблюдать периодическое изменение анодного тока. Если при перемещении рефлектора отсчитать n максимумов анодного тока и определить расстояние l, на которое переместился рефлектор, то, зная частоту колебаний пластины излучателя, можно определить скорость звука в среде. В самом деле, на пути l укладывается n полуволн, или n/2 длин волн, значит, длина волны:

Для проведения опыта к зажимам I (рис. 105) генератора подключают авометр, к зажимам II —ультразвуковой излучатель. В сосуд излучателя наливают спирт или глицерин. В лапке штатива укрепляют микрометр так, чтобы его стержень находился в вертикальном положении (рис. 109). Подняв стержень вверх (вращением трещотки) осторожно укрепляют ультразвуковой излучатель на нижнем выступе микрометра. В таком виде установка готова к работе.

Включают генератор. При частоте 1,1—1,2 Мгц на поверхности жидкости наблюдают рябь, что свидетельствует о нормальной работе приборов. Опускают стержень микрометра до соприкосновения с жидкостью и замечают показания микрометра L₁ при максимальном показании миллиамперметра. Погружая дальше стержень в жидкость, отсчитывают десять максимумов тока и замечают при последнем максимуме показания микрометра L₂. Отсчитывать можно и при перемещении стержня вверх.

В одном из опытов для спирта были получены следующие данные:

Табличное значение скорости ультразвука в спирте 1170 м/сек. При определении скорости ультразвука этим способом относительная погрешность не превышает 3%.

При определении скорости ультразвука в твердых телах, например в алюминии, также применяют метод стоячих волн. Если в каком-нибудь образце длиной L при частоте f₁ укладывается n полуволн, то можно подобрать такую частоту f₂, что на той же длине L будет укладываться n + 1 полуволн. Эго дает возможность составить два уравнения:

Исключая n и решая уравнение относительно скорости ультразвука в твердом теле, получим:

Для этой работы установку нужно несколько изменить. Ультразвуковой излучатель снять с микрометра. В сосуд излучателя ввести несколько капель масла или глицерина, а затем вставить алюминиевый цилиндр. Включив генератор, медленно вращать диск и наблюдать за перемещением стрелки гальванометра. Записать показания шкалы f₁ и f₂ при двух соседних максимумах гальванометра.

Табличное значение скорости ультразвука в алюминии 5100 м/сек. Погрешность при этом способе определения скорости ультразвука может достигать 30%.