Звук та ультразвук у навчальних дослідженнях
Видавничий дім "Інтелект", м. Довгопрудний, 2011, 335 стор.
Книга містить описи навчальних досліджень, що належать до фізики пружних хвиль, які рекомендуються для самостійного виконання учнями старших класів. Пропонуються прилади для отримання звуку високої та ультразвуку низької частоти. Детально розглянуті фізичні явища лінійної та нелінійної ультраакустики, практичне застосування ультразвуку. Всі досліди доступні і можуть бути поставлені у шкільному фізичному кабінеті або у домашніх умовах. Проводячи невеликі експериментальні дослідження, читач познайомиться з цікавими та практично важливими явищами фізики пружних хвиль, набуде навичок самостійної роботи.
Для викладачів фізики середньої та вищої школи, керівників елективних курсів, фізичних та технічних гуртків, а також для осіб, які займаються самоосвітою.
Зміст
Глава 1. Пружні хвилі.
Пружні хвилі у природі, науці, техніці, технології, медицині.
Частотні діапазони пружних хвиль. Інфра-звукові хвилі. Звук. Ультразвук. Гіперзвук.
Механічні джерела пружних хвиль.
Коливання стрижнів. Автополегшення стрижня. Губний свисток. Газоструйні та гідродинамічні випромінювачі. Акустична сирена.
Термічні джерела пружних хвиль.
Електророзрядні випромінювачі. Тепловий автогенератор звуку. Елементарна теорія теплового автогенератора. Зворотний зв'язок у тепловому автогенераторі.
Електромеханічні перетворювачі пружних хвиль.
Електростатичні перетворювачі. Електромагнітні перетворювачі. Електродинамічніперетворювачі. П'єзоелектричні перетворювачі. Магнітострикційні перетворювачі.
Глава 2. Гармонічні пружні хвилі.
Гармонійна пружна хвиля.
Гармонічні коливання та їх характеристики. Поперечні і поздовжні пружні хвилі. Рівняння гармонійної хвилі. Фазова швидкість хвилі. Фізична модель гармонійної хвилі, що біжить. Комп'ютерна модель гармонійної хвилі, що біжить.
Величини, що характеризують пружну хвилю.
Зміщення, швидкість і прискорення в гармонійній хвилі. Тиск у гармонійній хвилі. Деформація в гармонійній хвилі. Енергія хвилі. Інтенсивність хвилі. Хвильовий опір середовища. Згасання хвилі.
Експериментальне дослідження пружної хвилі повітря.
Доказ хвильової природи звуку. Осцилограма звукової хвилі. Індикатор інтенсивності звуку. Індикація фази звукової хвилі. Експериментальна установка. Експериментальне обґрунтування існування гармонійної звукової хвилі.
Глава 3. Магнітострикційний випромінювач пружної хвилі.
Прямий магнітострикційний ефект.
Явище магнітострикції. Спостереження прямого магнітострикційного ефекту. Дослідження прямого магнітострикційного ефекту методом повороту голки. Кількісне дослідження магнітострикції. Використання прямого магнітострикційного ефекту для отримання пружної хвилі.
Зворотний магнітострикційний ефект.
Виявлення зворотного магнітострикційного ефекту. Осцилограма пружних коливань стрижня.
Магнітострикційний випромінювач ультразвуку низької частоти.
Промислові магнітострикційні випромінювачі. Підмагнічування вібратора магнітострикційного випромінювача. Феритовий вібратормагнітострикційного випромінювача. Конструкція навчального випромінювача. Технологія виготовлення випромінювача. Магнітострикційний випромінювач низької частоти для шкільного фізичного кабінету. Перевірка випромінювача в роботі. Підмагнічування вібратора постійним
Глава 4. Електронні генератори щоб одержати пружних хвиль.
Елементи електричного генератора на транзисторах.
Коливальний контур. Автополювальна система. Транзистор як ключ. Транзисторні підсилювачі. Зворотний зв'язок.
Потужний ультразвуковий генератор.
Принципова схема ультразвукового генератора. Виготовлення ультразвукового генератора. Налагодження ультразвукового генератора.
Навчальний ультразвуковий генератор.
Принцип дії навчального генератора. Конструкція ультразвукового генератора. Технологія виготовлення приладу. Налагодження та перевірка генератора в роботі.
Одержання ультразвуку середньої частоти.
Частотний діапазон ультразвукового генератора. Ультразвуковий генератор середньої частоти. Магнітострикційні випромінювачі ультразвуку на частоту до 50 кГц. Магнітострикційні випромінювачі ультразвуку середньої частоти.
Ультразвуковий генератор на сучасній елементній базі.
Таймер в якості генератора, що задає. Підсилювач потужності на польовому транзисторі. Ультразвуковий генератор. Удосконалення ультразвукового генератора.
Глава 5. Дослідження магнітострикційного випромінювача.
Власні коливання стрижня.
Порушення коливань стрижня ударом. Стояча хвиля в стрижні. Власні частоти стрижня.
Резонансне збудження вібратора магнітострикційного випромінювача.
Явище резонансу. Стояча хвиля ввібраторі. Механічні напруги у вібраторі. Чому другий торець вібратора повинен бути сухим.
Пружні властивості матеріалу вібратора.
Швидкість імпульсу стиску в твердому стрижні. Експериментальне визначення пружних характеристик матеріалу вібратора.
Амплітуда коливань вібратора.
Кулька, що стрибає на вібраторі. Оцінка амплітуди коливань вібратора по висоті підскоку сталевої кульки. Експериментальна оцінка амплітуди коливань вібратора. Оцінка амплітуди коливань вібратора за допомогою ультразвукового рушія.<12 Оцінка амплітуди коливань вібратора за значенням міцності втоми.
Випромінювання пружної хвилі вібратором, що коливається.
Вимушені коливання та резонанс. Добротність коливальної системи. Енергія коливань вібратора. Випромінювання пружної хвилі.
Глава 6. Лінійні та нелінійні акустичні явища.
Лінійна акустика. Нелінійна акустика. Нелінійна взаємодія пружних хвиль. Спотворення форми ультразвукової хвилі. Нелінійне поглинання пружних хвиль.
Абсолютний вимір інтенсивності.
Вимірювання коливальної швидкості та інтенсивності. Якісне дослідження диска Релея. Стояча хвиля в повітрі та диск Релея.
Орієнтує дію ультразвуку.
Диск Релея в рідині. Орієнтація зважених у рідині лусочок. Акустичний контакт. Просвітлення каламутної рідини.
Ультразвуковий вітер у повітрі. Ультразвуковий вітер у рідині. Залежність ультразвукового вітру від частоти. Якісне пояснення ультразвукового вітру.
Сили, що діють на тіла у полі пружної хвилі.
Притягнення предмета до вібраторавипромінювача. Взаємодія тіл в ультразвуковому полі.
Глава 7. Тиск пружних хвиль.
Радіаційний тиск пружної хвилі.
Радіаційний тиск хвилі. Елементарна теорія радіаційного тиску. Виявлення радіаційного тиску.
Радіаційний тиск у газі. Виключення впливу ультразвукового вітру. Радіаційний тиск у рідині. Простий радіометр. Радіаційний тиск у трубці.
Ультразвуковий фонтан. Гігантський ультразвуковий фонтан на низькій частоті. Відображення та проходження хвилі на межі розділу серед. Ультразвуковий фонтан на межі розділу рідин. Ультразвуковий фонтан навпаки. .
Розділ 8. Стояча ультразвукова хвиля в повітрі.
Метод Кундта візуалізації стоячої хвилі.
Досліди Кундта. Дія ультразвуку на легкий сипучий порошок. Візуалізація стоячої ультразвукової хвилі методом Кундта. Розподіл порошку в стоячій хвилі.
Вимірювання швидкості звуку в повітрі та в газах.
Вимірювання швидкості ультразвуку. Дослідження залежності швидкості звуку від частоти. Спостереження впливу ультразвукового вітру. Відображення звуку від твердого плоского відбивача.
Візуалізація хвилі стоячи в повітрі шаром рідини.
Розподіл рідини в полі стоячої хвилі. Демонстрація стоячої хвилі, візуалізованої рідиною.
Глава 9. Стояча ультразвукова хвиля рідини.
Візуалізація стоячої хвилі методом орієнтації завислих у рідині частинок.
Стояча хвиля в скляній трубці. Особливості експерименту. Демонстраційний варіант експерименту. Вимірювання швидкості ультразвуку. Стояча хвиля в скляній пробірці.
Візуалізація стоячої хвилі методом коагуляції завислих у рідині частинок.
Візуалізація стоячої хвилі суспензією крохмалю у воді. Області коагуляції суспензії крохмалю у воді. Визуалізація стоячої хвилі емульсією гасу у воді. . Акустичний хвилевід.
Модель ультразвукового інтерферометра. Реакція випромінювача. Схема компенсації. Робота з ультразвуковим інтерферометром. Мостова схема компенсації. Залежність швидкості звуку в рідині від частоти.
Глава 10. Пружна хвиля у платівці.
Пружні хвилі у твердому тілі.
Види деформацій в пружних середовищах. Поздовжня хвиля в твердому тілі. Поперечна хвиля в твердому тілі. Поверхневі хвилі в твердих тілах. Пружна хвиля в твердій пластинці. Згинальна хвиля в твердому тілі. .
Холодні фігури на круглій ізотропній пластинці. Холодні фігури на анізотропній круглій пластинці. Фігури Холодні на пластинках довільної форми.
Дисперсія згинальних хвиль.
Явище дисперсії згинальних хвиль. Експериментальне дослідження дисперсії згинальних хвиль.
Поверхні рівних фаз згинальних хвиль.
Хвилі на папері. Цикл наукового пізнання. Навчальна фізична теорія. Навчальний фізичний експеримент.
Стояча хвиля в скляну посудину.
Стояча хвиля в скляній склянці. Стояча хвиля в стінках скляної колби.
Глава 11. Інтерференція та інші хвильові явища.
Інтерференція згинальних хвиль.
Інтерференція хвиль від двох реальних джерел. Інтерференція кругових хвиль. Експериментальне обгрунтування теорії інтерференції кругових хвиль.
Інтерференція для відображення хвилі від круглого краю платівки.
Інтерференція при відображенні від опуклого та увігнутого країв аркуша.
Отримання дійсного зображення в круглому краї. Відображення від еліптичної поверхні. Відображення від параболічної поверхні.
Деякі хвильові явища.
Заломлення згинальної хвилі. Розсіяння хвилі. Розповсюдження хвилі у хвилеводі.
Розділ 12. Ультразвукова кавітація.
Фізична сутність ультразвукової кавітації.
Отримання кавітаційної порожнини. Гідродинамічний удар. Спостереження ультразвукової кавітації. Руйнувальна дія ультразвукової кавітації. Причина ультразвукової кавітації.
Аномальне підняття рідини в капілярі. Експериментальне дослідження звукокапілярного ефекту. Елементарна теорія звукокапілярного ефекту. Експериментальна перевірка наслідків теоретичної моделі.
Виявлення сонолюмінесценції. Способи спостереження сонолюмінесценції. Залежність сонолюмінесценції гліцерину від температури.
Глава 13. Практичне застосування ультразвуку.
Максимальна інтенсивність ультразвуку від феритового вібратора.
Гранична інтенсивність ультразвуку. Ультразвуковий концентратор.
Утворення аерозолів. Причина ультразвукового розпилення рідин. Утворення горючої суміші. Використання ультразвуку для отримання емульсій. Утворення суспензій.
Ультразвукова коагуляція гідрозолів. Ультразвукова дегазація.
Використання ультразвуку для очищення. Експериментальне дослідження ультразвукового очищення.
Використання ультразвуку в електрохімії.
Вплив ультразвуку на електроліз. Дегазація електроліту. Електролітичне осадження металу.
Залуджування та паяння алюмінію. Залужування скла та кераміки.
Обробка твердих та крихких матеріалів.
Ультразвуковий свердлильний верстат. Модель ультразвукового свердлильного верстата. Ультразвукове свердління скла.
Ультразвуковий зварювальний верстат. Експериментальне дослідження ультразвукового зварювання.
Використання ультразвуку у металургії.
Вплив ультразвуку на кристалізацію. Дослідження кристалізації під дією ультразвуку.