Определение скорости ультразвука в воде и водных растворах с помощью аппарата УЗТ-1.07Ф

Лабораторная работа № 7

Исследование спектров поглощения

Исследование спектра испускания

Градуировка шкалы спектроскопа

Порядок выполнения работы

1. Включить установку в сеть.

2. На приборе УМ-2 включить тумблер ПОДСВЕТКА.

3. Включить неоновую лампу с помощью выключателя.

4. При помощи линзы сфокусировать свет на выходе монохроматора.

5. Изучить спектр неона с помощью прибора УМ-2.

6. Построить график зависимости числа делений на барабане от соответствующей длины волны спектральных линий неона, используя данные табл.2.

1. Лампу накаливания поместить перед щелью коллиматора, включить ее в сеть.

2. Определить положение цветных спектральных линий на шкале барабана и по графику зависимости l=f(n) определить длины волн. Данные занести в таблицу 4.

Таблица 4

Вещество	Линии спектра	n, дел.	l, нм

3. Перед щелью спектроскопа на расстоянии 3 - 5 см установить горящую спиртовку, фитиль которой ранее был смочен в растворе NaCl. Определить указанным выше способом l желтой линии, излучаемой атомами Na. Данные занести в таблицу 4.

1. Между осветителем (лампа накаливания) и щелью коллиматора поместите раствор соли марганцевокислого калия.

2. Указанным выше способом определить l поглощенных участков спектра. Данные занести в таблицу 5.

Таблица 5

Вещество	n, дел. соответствующих границам поглощенных участков спектра	l, нм соответствующих границам поглощенных участков спектра

3. Между осветителем и щелью коллиматора поместите темно-красный светофильтр и определите l поглощенных участков спектра. Данные занесите в таблицу 5.

Контрольные вопросы

1. Какие спектры называют сплошными? Полосатыми? Линейчатыми? 2. Какую физическую закономерность отражает формула Бальмера-Ридберга? 3. Какие сериальные закономерности наблюдаются в спектре атома водорода? 4. Что представляют собой спектры поглощения? При каких условиях их можно наблюдать? 5. В чем заключается сущность градуировки шкалы спектроскопа? 6. В чем заключается сущность спектрального анализа?

Приборы и принадлежности: ультразвуковой терапевтический аппарат УЗТ-1.07Ф, универсальный проекционный аппарат, кварцевая кювета, вода, физраствор, крахмал, технический вазелин, линейка, салфетка.

Цель работы: изучение устройства и принципа работы аппарата УЗТ-1.07Ф, и определение с его помощью скорости распространения ультразвука в воде и в водных растворах.

Ультразвук — упругие волны с частотами приблизительно от 15 кГц до 1 ГГц (10⁹ Гц). Область частот ультразвука от 10⁹ до 10¹³ Гц принято называть гиперзвуком. Область частот ультразвука удобно подразделять на три диапазона: ультразвук низких частот (15 кГц — 100 кГц), ультразвук средних частот (100 кГц — 10 МГц) и область высоких частот (10 МГц — 1 ГГц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приема, распространения, применения.

По физической природе ультразвук не отличается от звука, поэтому частотная градация между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна. Поэтому ультразвук распространяется в среде с той же скоростью, что и звук при 0 ⁰С и давлении 1 атм: в воздухе – 331 м/с; при 20 ⁰С в воде – 1490 м/с; в стали – 5099 м/с. В твердых телах ультразвук распространяется в виде продольных и поперечных волн, а в жидких и газообразных – только в виде продольных волн.

Источником ультразвука могут быть как естественные явления, так и искусственные установки – генераторы ультразвука. Естественными источниками ультразвука являются животные, насекомые, издающие ультразвук, например, кузнечики, саранча, сверчки, летучие мыши. Все они воспроизводят ультразвук и воспринимают его специальными рецепторными аппаратами. Ультразвук слышат и некоторые животные (дельфины, кошки, собаки, грызуны). Их слуховой аппарат настроен на более широкий диапазон звуковых колебаний. Источником ультразвука может быть и неживая природа: шум ветра, водопады, морской прибой. Ультразвук возникает также при работе некоторых двигателей и станков.

Широкое применение в диапазоне низких частот нашли магнитострикционные преобразователи, использующие эффект магнитострикции т.е. изменение формы и размеров тела при его намагничивании.

Для излучения ультразвука средних и высоких частот применяют, главным образом, пьезоэлектрические преобразователи, использующие явление пьезоэлектричества. Пьезоэлектрики — кристаллические вещества, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствие электрического поля (прямой пьезоэффект). Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэффект – появление механических деформаций под действием электрического поля. Наилучшим пьезоэлектрическим кристаллом в данное время является кварц, хотя другие кристаллы также находят применение (турмалин, сегнетова соль, фосфорнокислый аммоний).

Ультразвуковые волны при своем распространении переносят энергию. Количество энергии, проходящей через единицу площади за единицу времени, называется интенсивностью ультразвука. Интенсивность ультразвука при одинаковой частоте колебаний определяется амплитудой колебаний. Диапазон интенсивности при генерации ультразвука в области средних частот чрезвычайно широк: интенсивности от 10^-14 — 10^-15 Вт/см² до 0,1 Вт/см² считаются малыми. В медицине используется ультразвук интенсивностью до 3 Вт/см², а в биологических исследованиях – сфокусированный ультразвук до 1000 Вт/см².

Ультразвуковые методы широко применяются в акустоэлектронике, голографии, гидроакустике, в биологии и медицине. Действие ультразвука на биологические объекты сводится к трем видам: механическому, тепловому и химическому.

Механическое действие ультразвука заключается в том, что при его прохождении через среду в любой ее точке возникают периодические сжатия и растяжения, т.е. имеются колебания давления. В момент растяжения жидкость может разорваться и в ней образуются микрополости, заполненные парами жидкости. Это явление образования микрополостей называется кавитацией. Если в том месте, где образуется кавитационный пузырек, будет находиться какая-либо структура, то она может разрушиться. Например, если в жидкости содержатся микробы, то они разорвутся и погибнут. Однако разрушение частиц происходит только в том случае, если их размеры больше длины полуволны, т.е. если они захватывают области с повышенным и пониженным давлением. В противном случае частицы будут только колебаться вперед и назад с частотой ультразвука. Таким образом, в основе механического действия ультразвука лежит действие переменного давления, создающего кавитацию.

Кавитационные микрополости, образующиеся в среде при прохождении ультразвука, существуют очень короткое время. Пониженное давление в каждой точке среды существует лишь на протяжении полупериода колебаний, затем сменяется повышенным давлением. Кавитационные пузырьки в это время с огромной скоростью захлопываются. При захлопывании полостей молекулы среды движутся с большой скоростью и испытывают взаимное трение, вследствие чего молекулы могут возбуждаться и ионизироваться. При этом образуются различные ионы и радикалы, например, ионы и радикалы воды.

Ионы и радикалы вступают во взаимодействие с веществами биологического объекта, например, белками и нуклеиновыми кислотами. Это взаимодействие приводит к деструкции молекул биологически важных веществ клетки. Химическое действие ультразвука проявляется не сразу после облучения, а через некоторое время. Это время необходимо для взаимодействия образовавшихся при облучении ионов и радикалов с веществами клетки.

При действии ультразвука частицы среды совершают периодические колебания, что приводит к повышению температуры среды. Тепловой эффект ультразвука зависит от его интенсивности. Тепловое действие ультразвука применяется в медицине с терапевтической целью.

Ультразвук в зависимости от интенсивности и длительности облучения вызывает различные биологические эффекты. При облучении ультразвуком малой интенсивности, порядка 1 Вт/см², возникает положительный биологический эффект. При этом под действием ультразвука цитоплазма клеток совершает бурное круговое движение, в результате чего ускоряются нормальные физиологические процессы. Положительное действие ультразвука малой интенсивности лежит в основе его применения в терапии. При действии ультразвука большой интенсивности движение цитоплазмы клеток еще более усиливается и начинают появляться кавитационные пузырьки. Возникновение кавитации приводит к необратимым нарушениям структуры клеток. При длительном действии ультразвука большой интенсивности происходит полная гомогенизация ткани.

Разрушающее действие ультразвука на биологические объекты используют в медицине для стерилизации различных предметов и веществ (бактерицидное действие) и для разрушения различных злокачественных опухолей. Например, в нейрохирургии с помощью ультразвука разрушают опухоли в головном мозге. Опухоль удается разрушить даже в том случае, если она находится в глубине мозга. Для этого пользуются несколькими пучками ультразвуковых волн. Каждый пучок обладает небольшой интенсивностью и вредного влияния на ткань мозга не оказывает. Пучки направляют с разных сторон таким образом, чтобы они пересеклись в месте локализации опухоли. Тогда в месте пересечения пучков интенсивность ультразвука возрастает, возникает кавитация и происходит разрушение опухоли. Ультразвук применяется также в стоматологии (ультразвуковая бормашина).

Механическое действие ультразвука лежит в основе его применения для гомогенизации тканей с целью извлечения из них биологически активных веществ. В фармацевтической промышленности ультразвук используют для приготовления высокодисперсных стабильных лекарственных эмульсий, например, эмульсий камфарного масла.

В последнее время отечественными учеными М.В.Волковым, В.И.Петровым, Б.В.Петровским, В.А.Поляковым, В.П.Лебедевой разработаны методы ультразвукового соединения костей, поврежденных при переломах (ультразвуковая “сварка” костей). Применение этих методов дало хорошие результаты.

Кроме применения в терапии и хирургии, ультразвук применяется в диагностике: в различных тканях организма ультразвук распространяется и поглощается по-разному. Измеряя скорость распространения и поглощения ультразвука тканями с помощью специальных установок, можно делать выводы о структуре внутренних органов в норме и патологии, наблюдать и фотографировать различные опухоли, кровоизлияния, наличие металлических, деревянных, стеклянных, пластмассовых предметов в тканях (метод ультразвуковой визуализации). В определенных случаях с помощью ультразвука можно дополнить картину, полученную с помощью рентгенодиагностики. Это связано с тем, что различные мягкие ткани часто имеют одинаковую оптическую плотность для рентгеновских лучей и поэтому не различимы на рентгенограмме. Кроме того, действие ультразвука малой интенсивности совершенно безвредно для организма, тогда как действие рентгеновских лучей далеко не безвредно.

Если ультразвук проходит через движущуюся среду, то наблюдается акустический эффект Доплера — изменение частоты (или длины волны) ультразвуковых колебаний. Движущаяся среда в зависимости от направления перемещения как бы разрежает или сгущает ультразвуковые волны. В последнее время на основе эффекта Доплера разработаны методы определения скорости кровотока. При этом излучатель и приемник ультразвука с помощью специальных катетеров вводят в кровеносный сосуд и измеряют доплеровский сдвиг частот, который пропорционален скорости движения среды. Регистрация доплеровского сдвига частот в сочетании с измерениями отражения и рассеяния ультразвука позволяет также изучать динамику других физиологических явлений: колебания стенок сосудов, движения клапанов и стенок сердца, мочеиспускания и др.

Для упругих звуковых волн (как и вообще для волнового движения) характерны явления интерференции и дифракции. Один из видов интерференции — образование так называемых стоячих волн. Стоячие волны образуются при наложении двух встречных плоских волн с одинаковыми частотами и амплитудами, что обычно имеет место при отражении волны от препятствия. Стоячие волны могут быть и поперечными, и продольными. Рассмотрим образование продольной стоячей волны.

Принципиальная экспериментальная установка для изучения параметров продольной стоячей ультразвуковой волны (рис. 1) состоит из УВЧ генератора электрических колебаний 1, возбуждающего механические ультразвуковые колебания в пьезоэлектрической пластине 2. Колебания пластины через тонкую диафрагму 7 и слой вазелина 3 передаются в прозрачную кварцевую кювету – интерферометр 4 с исследуемой жидкостью 5, в которой распространяется волна. С противоположной стороны кюветы помещается отражатель 6 в виде достаточно толстой металлической пластины, плоская поверхность которой параллельна излучающей поверхности дна кюветы. Отражатель может фиксироваться постоянно или может перемещаться вдоль направления распространения ультразвуковой волны - оси Y с помощью микровинта. В пространстве между излучателем 2 и отражателем 6 в жидкости при определенных условиях может установиться ультразвуковая продольная стоячая волна.

В момент t = 0, когда прямая бегущая волна достигает поверхности металлического отражателя, она возбуждает волну, распространяющуюся в жидкости в обратном направлении. Так как металлический отражатель неподвижен, то смещения в нем, соответствующие прямой и обратной волне, должны быть направлены противоположно, т.е. находиться в противофазе. Поэтому на металлическом отражателе фаза обратной волны “скачком” меняется на угол, равный p, что соответствует половине длины волны (это называют потерей полуволны). В результате наложения прямой и обратной волн в жидкости устанавливается колебательный процесс, в котором определенные точки жидкости остаются неподвижными, а точки, расположенные на участках между ними, совершают колебания того же периода и с удвоенной амплитудой по отношению к исходной волне. Неподвижные точки стоячей волны называют узлами, а точки, совершающие колебания с максимальной амплитудой — пучностями. Положение их в жидкости при сохранении периода колебаний со временем не меняется.

Расстояние l _o между двумя соседними узлами или пучностями стоячей волны равняется половине длины волны l:

. (1)

Для вывода уравнения стоячей волны сложим смещения прямой и обратной (отраженной) бегущих волн:

(2)

, (3)

где S – продольное смещение, А – амплитуда, w – круговая частота, t – время, y – расстояние, совпадающее с направлением распространения волны, с – скорость ультразвука.

В отраженной волне (3) распространяющейся в сторону убывания y вместо разности в скобках берется сумма. Используя тригонометрическую формулу для преобразования суммы синусов, получим:

. (4)

Из формулы следует, что в каждой точке стоячей волны колебания происходят с той же частотой w, как и у бегущих волн, и с амплитудой

, (5)

которая периодически изменяется в пределах от 0 до 2 А.

Узлы стоячей волны, для которых амплитуда равняется 0, получаются в точках

(6)

Пучности, для которых амплитуда равняется 2 А, – в точках где n = 0, 1, 2, 3...,

(7)

В отличие от бегущей волны в стоячей волне все точки между двумя близлежащими узлами колеблются с одинаковой фазой, причем на двух соседних участках эти фазы по знаку противоположны.

Энергия стоячей волной не переносится. Однако дважды за период происходит перепад энергии частиц волны или полностью в потенциальную, сосредоточенную в основном вблизи узлов (максимальные деформации), или полностью в кинетическую — вблизи пучностей волны (максимальные скорости частиц).

Стоячие волны могут возникать при волновом движении любой природы. Обычно это имеет место при распространении волн в ограниченных участках среды, например, для механических колебаний — в стержнях или струнах, для звуковых колебаний — в воздушных столбах и в жидкостях.

Необходимым условием для образования стоячих волн является кратное соотношение размеров тела y = l и длины стоячей волны

(8)

При этом, на границе среды, от которой происходит отражение волны, может быть или узел при отражении от более плотной среды, или пучность при отражении от менее плотной. Образование узла, как указывалось, связано с потерей половины длины волны; при образовании пучности фазы колебаний одинаковы и колебание происходит с удвоенной амплитудой.

Для визуального наблюдения образования увеличенной картины стоячих волн в малогабаритной кювете, используется универсальный проекционный аппарат, который состоит из следующих основных узлов и деталей (рис. 2). Скамья оптическая 1, выполненная из двух направляющих труб и выдвижных стержней, позволяющих изменять длину установки. Корпус осветителя 2, с электрической лампой внутри, шнуром для подводки электрического тока. На корпусе установлен выключатель. Конденсор 3, разборный, двухлинзовый на стойке. Металлическая стойка 4 жестко закрепленная на рейтере. На стойке закреплены: зубчатая рейка и микровинт с металлической отражательной пластиной. На стойке укреплен держатель ультразвуковой излучательной головки.

На рис. 3 представлена общая схема оптической установки для определения длины продольной стоячей волны и скорости ультразвука.

Из условия (8) образования стоячих волн следует:

(9)

где - расстояние от дна кюветы до отражателя, - число пучностей на этом расстоянии.

1 – отражатель света, 2 – источник света – проекционная лампа, 3 – конденсор, 4 – металлический отражатель, 5 – картина установившихся продольных стоячих ультразвуковых волн в кювете 6, 7 – ультразвуковой излучатель.

Зная резонансную частоту кварца n=880000 Гц излучательной ультразвуковой головки, можно определить скорость с распространения ультразвука в исследуемой жидкости: c=ln или

. (10)

Зная плотность r исследуемой жидкости — определим ее характеристики:

- акустическое сопротивление: R=r × c (11)

- модуль объемной упругости: E₀=r ×c² (12)

- адиабатическую сжимаемость: b=1/(r × c²) (13)

Дата добавления: 2014-01-04