ФИЗИКА Пraktikum. Учебнометодическое пособие для студентов медицинских вузов 2018 Вводное занятие
 Скачать 4.99 Mb.
|
|
6. Дифракция света. Дифракционная решетка. Дифракция света – явление отклонения света от прямолинейного распространения при прохождении вблизи препятствий: свет, огибая препятствие, отклоняется в область тени. Дифракция характерна для волн любой физической природы: электромагнитных волн всех видов и диапазонов, любых звуковых волн, волн на поверхности воды. Явлению дифракции, как правило, сопутствует другое универсальное свойство всех волновых процессов – интерференция. Дифракция света устанавливает предел достижимому увеличению оптических микроскопов. Например, оптический микроскоп с увеличением к = 2000 создать еще можно, а с увеличением к = 5000 – уже не создать. В данной лабораторной работе дифракцию света лазера вы будете наблюдать и исследовать с помощью дифракционной решетки. Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку, на которую нанесены тонкие непрозрачные равноотстоящие параллельные штрихи. Интервал d между штрихами называется постоянной решетки. Хорошие решетки изготавливаются на специальных штриховальных машинах; качеством похуже – с помощью фотоматериалов. У хороших дифракционных решеток число штрихов на 1 мм достигает 2000 (соответственно, d = 1/2000 мм). Дифракционные решетки применяются в приборах для спектрального анализа. Но поскольку свет лазера монохроматичен, картинок типа «каждый охотник желает знать, и т.д.», вы не увидите, поскольку спектр будет состоять из одной спектральной линии. 7. Схема лабораторной установки. Схема лабораторной установки представлена на рис. 4. Лазер на схеме не показан; его лучи падают вертикально на дифракционную решетку. Вам предстоит работа на одном из двух лазерных модулей. Первоочередная задача – определение (косвенное измерение) длины волны излучения. Определив длину волны, вы сможете вычислить энергию квантов, частоту электромагнитных колебаний и массу квантов лазера. .  Рис. 4. Ход лучей в лабораторной установке. Каждый штрих, будучи непрозрачным, является причиной дифракции света. Лучи, отклонившиеся от соседних штрихов на одинаковые углы α, интерферируют. Результат их интерференции – их взаимное усиление - будет наблюдаться в тех точках экрана, в которых разность фаз складываемых колебаний ∆φ = 0; 2π; 4π, и т.д. Чтобы разность фаз ∆φ принимала указанные значения, необходимо, чтобы в отрезок h = dsinα на рис. 4 укладывалось целое число длин волн излучения: d sinα = kλ, где k = 0, 1, 2, ... (1) Из схемы рис. 2 видно, что  , и формула (1) принимает следующий вид:d  = kλ, где k = 0,1,2, … (2)Здесь H – расстояние от дифракционной решетки до экрана; хk – расстояние от самого яркого центрального максимума, которому соответствует k = 0, до максимума более высокого порядка (k = 1, 2, ...). По-разному отклоненные при дифракции лучи интерферируют не только на экране, но и во всем пространстве под решеткой. Экран лишь дает возможность убедиться, что в лучах, попадающих в точку с координатой хk, идет повсеместное взаимное усиление. Попробуйте представить себе, что мы увидели бы, если бы вместо экрана под решеткой был задымленный воздух, (и вас застукал декан) … 8. Порядок выполнения работы. 1. Включите в сеть один из лазерных модулей. 2. С помощью большой металлической линейки (БМЛ) измерьте установленное для вашей бригады расстояние Н между дифракционной решеткой и горизонтальной поверхностью экрана. Запишите его на двойном развернутом листе бумаги (он же – протокол наблюдений): Н = _______мм. Там же укажите фамилии членов бригады и номер студенческой группы, значение постоянной d доставшейся вам решетки: d = ______мм. Примечание: протокол – один на бригаду, но cвой отчет по работе предоставляет каждый лично. 3. Расположите на поверхности экрана свой двойной развернутый протокол так, чтобы цепочка интерференционных максимумов расположилась по диагонали. Пометьте центры световых пятен, рядом запишите их номера: 0, 1, 2, и т.д., сколько удастся получить. 4. С помощью БМЛа измерьте расстояния от максимума к = 0 до каждого из остальных. Результаты запишите в столбец 2 таблицы 1. Таблица 1. Результаты прямых измерений и вычислений.
Выполните вычисления по табл. 1: 1. По каждому из значений координаты хк вычислите значение длины волны λ лазерного излучения; для этого воспользуйтесь алгебраическим следствием формулы (2):  ; k = 1, 2, 3. (3)Результаты вычислений занесите в столбец 3, переведя их из миллиметров в нанометры (1 м = 103 мм = 109 нм). Рекомендуемая точность при вычислениях длины волны – три значащие цифры. 2. Вычислите сумму элементов выборки - столбца 3. 3. Вычислите средневыборочное значение λв = ________нм. 4. Заполните столбец 4, вычислив значения Δλ = λк – λв . 5. Заполните столбец 5, возведя в квадрат числа столбца 4. Точность вычислений – четыре разряда после запятой. Вычислите сумму Ʃ (Δλ)2. 6. Вычислите границы доверительного интервала для длины волны лазера. Для этого предварительно вычислите следующие характеристики выборки: дисперсия выборки  ;среднеквадратичное отклонение  = ;ширина доверительного интервала  .Здесь tα,n – коэффициент Стьюдента, значение которого для уровня значимости α = 0,05 выберите по табл. 2. Табл. 2. :
Запишите доверительный интервал для длины волны в виде λ =  ± Δλ (нм)Вычислите следующие характеристики кванта излучения: энергия кванта:  частота излучения:  масса кванта:  В этих формулах h = 6,62‧10-34 Дж‧с – постоянная Планка; с = 3‧108 м/с – скорость света в вакууме. При этих вычислениях должна подставляться в метрах. Энергию кванта представить в джоулях и в электронвольтах; заряд электрона, если кто забыл, е = 1,6‧10-19 Кл. 9. Контрольные вопросы к лабораторной работе № 55. 1. Кванты. Фотоны. 2. Свойства лазерного излучения: монохроматичность, когерентность, поляризация. 3. Свойства лазерного излучения: мощность, интенсивность, малая расходимость. 4. Спонтанное и индуцированное излучение. 5. Принципиальная схема и принцип работы лазера. 6. Инверсная населенность энергетических уровней. 7. Дифракция света, Дифракционная решетка. Схема лабораторной установки. Биоакустика: ультразвук. (Материалы к семинару по биоакустике) Высокочастотный звук - ультразвук - это механические колебания в упругой среде, частота которых - выше диапазона слышимых частот. Частотный диапазон ультразвука – от 20 кГц до 1 ГГц. В медицине ультразвук находит применение как в диагностике, так и в терапии. 1. Получение и регистрация ультразвука в медицинской аппаратуре Пьезоэлектрики (от греческого piezo - давлю, сжимаю) - это диэлектрики, которые способны поляризоваться при их деформации: при сжатии пьезоэлектрика на двух его поверхностях, испытывающих давление, возникают заряды противоположного знака, обусловленные его поляризацией. Если сменить знак деформации, то есть сжатие заменить растяжением, то на тех же поверхностях пьезоэлектрика появятся электрические заряды обратной полярности. Прямой пьезоэлектрический эффект- это явление возникновения электрической разности потенциалов на пьезоэлектриках при их механической деформации. Он применяется для регистрации ультразваука. Вот как это происходит: ультразвук, приходящий извне на рабочие поверхности пьезокристалла, создает в прилегающей к ним среде то зону сжатия, то зону разрежения. Это приводит к появлению деформаций сжатия-растяжения пьезокристалла, сменяющих друг друга с частотой регистрируемого ультразвука. Знакопеременные деформации пьезокристалла приводят к появлению знакопеременной разности потенциалов между его рабочими поверхностями. Обратный пьезоэлектрический эффект - появление деформаций при поляризации пьезоэлектрика во внешнем электрическом поле. Вот как этот эффект используется для получения ультразвука: если пьезоэлектрик помещен в переменное электрическое поле, то в такт со сменой полярности приложенного электрического напряжения в пьезоэлектрике возникают, сменяя друг друга, деформации сжатия и растяжения; в направлении силовых линий поля пьезокристалл то укорачивается, то удлиняется, становясь источником ультразвуковых колебаний в примыкающей к нему среде. Итак, обратный пьезоэлектрический эффект применяется для получения ультразвука, а прямой - для его регистрации. Технические подробности - в разделе 1.2. Но не следует думать, что природа предусмотрела пьезоэлектрический эффект исключительно для создания ультразвуковой аппаратуры. Прямой пьезоэлектрический эффект выполняет важные функции в процессах ремоделирования костных тканей. Ремоделирование костных тканей - это непрерывный процесс их обновления. Цикл полного обновления в среднем составляет 25 лет. Обновление осуществляют специализированные клетки двух типов: Остеокласты - клетки-разрушители изношенных костных тканей; Остеобласты - клетки-созидатели костных тканей из обновленного материала. Деформации растяжения кости вызывают появление в костных пластинах положительного пьезоэлектрического потенциала. Благодаря этому активируются остеокласты, резорбируют (разрушают) изношенный костный материал, а затем, спустя некоторое время, активируют остеобласты, намекая, что им тоже пора браться за работу. Деформации сжатия кости вызывают появление отрицательного потенциала, дополнительно активизирующего работу остеобластов по синтезу нового костного материала из продуктов резорбции, выполненной остеокластами. При отсутствии физической нагрузки и сопутствующих ей деформаций кости имеет место нулевой пьезоэлектрический потенциал. При нулевом пьезопотенциале стимулируются остеокласты, и кроме того - выведение солей из кости. Общеизвестно, что отсутствие полноценной физической нагрузки в условиях длительных космических полетов создает серьезнейшие проблемы для опорно-двигательного аппарата космонавтов. 2. Ультразвуковые излучатели и приемники в медицинской технике. В медицинской технике используются электромеханические излучатели и приемники ультразвука, работающие на основе прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта. Ультразвуковой излучатель представляет собой пластину из пьезоэлектрика с нанесенными на ее поверхности проводящими слоями, выполняющими функции электродов. При подключении этих электродов к высокочастотному электрическому генератору возникает обратный пьезоэлектрический эффект: поверхность пластины с нанесенными на нее электродами начинает совершать вынужденные механические колебания, имеющие частоту, равную частоте электрического генератора. В прилегающей к электродам среде возникает ультразвуковая волна. Частота ультразвуковых колебаний пьезоэлемента-излучателя равна частоте электрических колебаний, подаваемых на электроды. Наиболее охотно, с наибольшей амплитудой будут происходить колебания пьезоэлемента, если частота электрического напряжения совпадет с собственной частотой механических колебаний излучателя (условие резонанса). Чем меньше масса и размеры излучателя, тем больше его собственная частота колебаний. В большинстве медицинских приборов ультразвуковой излучатель выполняет так же и функцию приемника ультразвуковых волн, им же и создаваемых, периодически переключаясь с режима излучения на режим приема отраженных ультразвуковых волн. Чтобы излучатель ультразвука стал его приемником, необходимо отключить его электроды от электрического генератора и подключить их к системе, регистрирующей разность потенциалов, возникшую, благодаря прямому пьезоэлектрическому эффекту, под воздействием отраженного ультразвука. Разумеется, переключения производятся автоматически. 3. Эхолокация в ультразвуковой диагностике. Многие приборы для ультразвуковых медицинских исследований (УЗИ) работают на основе принципа эхолокации. Эхолокация - это определение положения (локация) удаленных предметов по длительности задержки с приходом отраженных от них звуковых импульсов (эхо). В природе эхолокацию раньше человека освоили летучие мыши, дельфины и некоторые другие животные. Радиолокация — это решение аналогичных задач с использованием импульсов электромагнитных излучений. Пример использования эхолокации в медицинской аппаратуре: на рис. 1 представлена схема одномерного ультразвукового диагностического прибора для эхоскопии глаза. В нижней половине рисунка - схема строения глаза. В контакте с роговицей - ультразвуковой излучатель, испускающий короткие ультразвуковые импульсы длительностью порядка 1 мкс. В паузах между излучаемыми импульсами этот же прибор принимает импульсы, отраженные от различных внутриглазных неоднородностей. Возникающие при этом электрические импульсы, после их усиления, формируют на экране монитора эхограмму – запись последовательности отраженных импульсов в порядке их поступления. Эхограмма представлена на верхней половине рис. 1.  Рис. 1. Схема получения эхограммы глаза. На этой схеме: 1 - эхосигнал от передней поверхности роговицы; 2, 3 - эхосигналы от передней и задней поверхностей хрусталика; 4 - эхосигнал от сетчатки и структур заднего полюса глазного яблока. Эхограмма формируется следующим образом. Любой ультразвуковой импульс излучателя проходит сквозь глаз, частично отражаясь в обратном направлении на каждой из границ раздела смежных структур. Так что каждый импульс ультразвукового излучателя порождает несколько отраженных УЗ-импульсов. В нашем примере хорошо различимы эхосигналы от четырех отражающих поверхностей. Координаты эхосигналов на эхограмме пропорциональны времени задержки с приходом на излучатель УЗ-импульсов, отраженных от различных внутриглазных поверхностей. А излучатель успевает вовремя стать приемником. Эхосигналы формируют на экране монитора неподвижное изображение. Инерционность нашего зрения делает незаметным то обстоятельство, что это изображение в течение секунды тысячекратно исчезает и вновь появляется. Двухмерные приборы для УЗ-диагностики имеют многоэлементные ультразвуковые преобразователи в виде блока автономных одномерных пьезоэлементов. Каждый такой элемент имеет свою «зону ответственности» в двухмерном (плоском) изображении внутренних органов на экране монитора. Система работает циклически. Каждый цикл организован следующим образом: пьезоэлементы поочередно подключаются к высокочастотному генератору электрических импульсов и поочередно становятся источниками ультразвуковых импульсов. Затем система переключается на режим поочередной регистрации отраженных УЗ-импульсов. При этом актуальным является не длительность задержки отраженных эхосигналов, а их интенсивность: чем больше интенсивность, тем больше яркость свечения монитора в «зоне ответственности» каждого пьезоэлемента. Диагностические возможности расширяются, если в ходе обследования осуществляется перемещение ультразвуковой головки - преобразователя вдоль тела пациента (сканирование). |