Киргизов. Слышимый свет


Слышимый свет
Научно-исследовательская работа
Учащегося МБОУ СОШ с УИОП 11 класса
Киргизова Григория
Руководитель Петров Э.А., учитель физики
Салехард
2013
Название работы: «Слышимый свет»
Автор: Киргизов Григорий
МБОУ СОШ с УИОП, г. Салехард
11 класс
Краткая аннотация
В этой работе исследуется такое физическое явление как образование звука при освещении стеклянной банки. Половина этой банки изнутри покрыта сажей. Темная половина банки освещается снаружи, через прозрачную половину.
Исследование в работе основано на эксперименте. Работа носит научно-популярный характер и может быть интересна и людям, далеким от физики в силу незаурядности явления.
The name of work: “Hearing light”
The author: Grigoriy Kirgizov
Salehard, School with Depth Study of Specific Subjects
11 class
The annotation in brief
In this work I study a physical phenomenon as the formation of sound illuminated glass jar. Half of the jar from the inside is covered with soot. Dark half of the jar illuminated the outside through the transparent half.
Research is based on the experiment. The work is a popular science and may be interest to people who are not physicians thanks to originality of the phenomenon.

Аннотация
Цель исследования: Выяснить по каким причинам при освещении наполовину закопченной банки появляется звук, исследовать и описать это явление, выявить зависимости, если возможно.
Объект исследования: преобразование оптического излучения в акустическое.
Предмет исследования: банка, покрытая сажей наполовину.
Гипотеза: Звук образуется благодаря поглощению сажей электромагнитного излучения и его преобразования в тепловую энергию.
Поставленные задачи:
Теоретические:
Провести теоретическое исследование, изучив информацию об оптических и акустических явлениях - найти теоретическое объяснение явлению образования звука при освещении банки.
Практические:
Провести практическое исследование, представляющее из себя серии опытов, при которых происходит образование звука с изменением различных условий.
Информационно-технологические:
Изучить спектр звука с помощью компьютера. Для этого следует записать звук в специальной программе.
Аналитические:
Описать происходящие явления, установить их причины с точки зрения теории. Сделать выводы.
Результаты работы подтверждают поставленную гипотезу, поставленные цели и задачи выполняются в полном объеме.

Введение – описание опыта.
Покройте слоем копоти одну половину внутренней поверхности банки и проделайте отверстие в её крышке. Если осветить чёрную стенку банки лампой накаливания, работающей на переменном токе, то можно услышать отчётливый звук.
Первые теоретические исследования.
В процессе исследования был рассмотрен такой раздел физики как фотоакустика и фотоакустические явления.
Фотоакустический эффект – это образование звуковой волны вследствие поглощения материалом электромагнитного излучения.
Эффект был открыт Александром Бэллом (изобретателем телефона) в 1880 году.
Существует несколько механизмов, порождающих фотоакустический эффект. Большинство литературы связано с одним – фототермическим. Другие связаны с фотофизическими и фотохимическими процессами.
Использованное оборудование и первые эксперименты.
В представленных экспериментах использовались:
Лампы накаливания различной мощности
Стеклянные банки объемом 500 мл
Микрофон
Программа для анализа спектра звука Spectrum Lab
В лампе используется эффект нагревания проводника при протекании через него электрического тока. Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне.
Рис. 1 Фото экспериментальной установки

Рис. 2 Эксперимент с переменным током
Обнаруживается четко слышимый звук на частоте 100 Гц.
Остальные звуки – это шумы, в том числе и собственные шумы микрофона, что было проверено экспериментально (был отснят спектр звука вне банки).
Рис. 3 Эксперимент с постоянным током

Звук не обнаруживается, слышны лишь шумы.
Анализ первых экспериментов.
При сравнении результатов экспериментов с постоянным и переменным током можно предположить, что наличие либо отсутствие звука связано с различием характеристик излучения. Так как единственным изменяемым параметром был ток, то это различие зависит от характера тока.
При изучении различной литературы был сделан вывод, что изменяемым параметром излучения является его интенсивность (амплитуда). При питании от переменного тока интенсивность излучения колеблется. А причина этих колебаний – модуляция света.
Модуляция света.
Модуляция света – это изменение по заданному закону во времени интенсивности (амплитуды) колебаний оптического излучения. Различают внутреннюю модуляцию и внешнюю.
При внутренней модуляции преобразование излучения происходит в процессе его формирование непосредственно в источнике оптического излучения.
Внутреннюю модуляция света осуществляют, используя для питания электрических источников света переменное или импульсно-периодическое напряжение.
При внешней модуляции параметры излучения изменяют после его выхода из источника с помощью модуляторов света. 
Простейшая амплитудная модуляция света - это периодическое механическое прерывание светового потока.
-141605301625Рис. 4 Амплитудно-модулированное излучение
Анализ фототермического механизма.
Более подробно рассмотрим фототермический механизм, т.к. другие механизмы (фотофизический и фотохимический) имеют незначительное влияние на объект исследования и требуют сложных методов обнаружения и измерения. Под фототермическим механизмом понимается нагревание вещества поглощаемым электромагнитным излучением.
Фототермический механизм можно разделить на следующие этапы:
Поглощение материалом (сажей) модулированного электромагнитного излучения;
Периодические колебания температуры в местах поглощения излучения вследствие периодических колебаний интенсивности излучения;
Колебания температуры вызывают колебания давления по закону Шарля:
Возбуждение акустических волн в среде, окружающей область поглощения излучения вследствие колебаний давления.
Анализ частоты звука.
При экспериментах частота звука была больше частоты переменного тока в 2 раза. Теоретические расчёты подтверждают это:

Происходит удвоение частоты (f) колебаний мощности тока, а значит и колебаний мощности лампы.
Побочные эксперименты.
Побочный эксперимент №1
Рис. 5 Изучение зависимости громкости звука от расстояния - установка

Рис. 6 Изучение зависимости громкости звука от расстояния – спектр звука

Рис. 7 Изучение зависимости громкости звука от расстояния – график зависимости


Побочный эксперимент №2
Рис. 8 Зависимость громкости звука от мощности лампочки – спектр звука

Рис. 9 Зависимость громкости звука от мощности лампочки – график

Выводы.
Причиной звука является фототермический эффект.
Звук возникает лишь при модулированном излучении.
На громкость звука влияют: мощность лампочки и расстояние от лампы до банки.
На частоту звука влияет частота переменного тока.
Применение явления.
Фотоакустический эффект используется в следующих областях науки и техники:
Высокочувствительные методы газового анализа;
Дефектоскопия, выявление неоднородностей непрозрачных материалов;
В биомедицине (фотоакустическая томография):
Мониторинг гемодинамики (движения крови)
Выявление повреждений мозга
Обнаружение рака молочной железы
Фотоакустическая микроскопия
Рис. 10 Лазерный фотоакустический комплекс, предназначенный для дефектоскопии

Таким образом, фотоакустический эффект используется в современных отраслях науки и техники и является перспективным и полезным для использования.
Список использованной литературыhttp://en.wikipedia.org
Manfred Euler, Kurt Niemann, and Andreas Muller. Hearing Light. Phys. Teach. 38, 6, 356-358 (2000) (ресурс: uni-landau.de/physik/Hearing%20Light.pdf)
http://encyclop.ru – Большая Советская Энциклопедия
http://www.ngpedia.ru/
Sound by Radiant Energy – A.G. Bell
X. Wang, et al. (2006). "Non-invasive imaging of hemoglobin concentration and oxygenation in the rat brain using high-resolution photoacoustic tomography"

Приложенные файлы

  • docx 11080951
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий