O 16 Debye-Sears-Effekt Aufgaben 1. Bestimmen Sie die

Physikalisches Anfängerpraktikum, Fakultät für Physik und Geowissenschaften, Universität Leipzig
O 16
Debye-Sears-Effekt
Aufgaben
1. Bestimmen Sie die Schallgeschwindigkeit in Wasser und Äthanol mittels Primärinterferenz nach der
Methode von Debye und Sears!
2. Ermitteln Sie die Schallgeschwindigkeit der beiden Flüssigkeiten von Aufgabe 1 mit Hilfe der
Sekundärinterferenz! Berechnen Sie mit diesen Schallgeschwindigkeiten den Kompressionsmodul der
Flüssigkeiten!
3. Bestimmen Sie die Schallgeschwindigkeit in Wasser bei einer höheren Temperatur!
Zusatzaufgabe: Unter Verwendung von Laserlicht und dem sogenannten Schlierenverfahren ist aus dem
Abstand der Interferenzstreifen die Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit zu bestimmen.
Literatur
Physikalisches Praktikum, Hrsg. D. Geschke, Mechanik 4.0.1, 4.2.2, Optik 2.0
L. Bergmann, Der Ultraschall
Bergmann, Schaefer, Physik, Bd. 3, Optik
Zubehör
HF-Sender mit Verstärker, Glasküvette mit piezoelektrischem Schwinger, optische Bank, Linsen,
Okularmikrometer, Versuchsflüssigkeiten, Atomspektrallampe, für Zusatzaufgabe: Laser,
kurzbrennweitige Linse
Schwerpunkte zur Vorbereitung
-
Interferenz durch Beugung von Wellen, Bedingungen
Beugung am Spalt und am Gitter, Amplitudengitter, Phasengitter
Physikalische Beschreibung der Primär- und der Sekundärinterferenzen, ′Schlierenmethode′
Schallwellen in Gasen und Flüssigkeiten, Schallgeschwindigkeit, Schalldruck, Kompressibilität
Bemerkungen
Der
Versuch wird im abgedunkelten Raum durchgeführt. Der HF-Sender darf nur eingeschaltet
werden, wenn sich Versuchsflüssigkeit in der Küvette befindet. Für die Primärinterferenz ist der in
Abb. 1 dargestellte zu wählen.
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Abb. 1 Zur Primärinterferenz
Um die Küvette mit parallelem Licht zu bestrahlen, wird zuerst das Okularmikrometer in die
Brennebene der Linse L3 gebracht. Danach ist die Linse L2 bei weit geöffnetem Spalt solange zu
verschieben, bis der Spalt in der Okularbrennebene scharf abgebildet wird. Anschließend ist die
Küvette zwischen die Linsen zu stellen, die Spaltbreite zu verringern und mit dem Okularmikrometer
das Interferenzbild auszumessen.
Abb. 2 Zur Sekundärinterfernz
Für die Sekundärinterferenz ist der Aufbau nach Abb. 2 zu verwenden. Bei gleicher Position der
Linse L2 wie bei der Primärinterferenz wird die Linse L4 solange zwischen Küvette und Okular
verschoben, bis gut sichtbare Interferenzstreifen im Okularmikrometer zu sehen sind. Zur Bestimmung
der Schallwellenlänge ist die Küvette seitlich soweit mit Hilfe einer Mikrometerschraube zu
verschieben, dass im Gesichtsfeld des Okulars etwa 20 helle oder dunkle Streifen an einer festen Marke
vorbeigewandert sind. Die Streifenabstände (je λSchall/2) können mit einer Messschraubeneinrichtung
gemessen werden. Es sind graphische Auswertungen vorzunehmen.
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Bemerkungen zur Sekundärinterferenz:
Eine Schallwelle erzeugt in einer Flüssigkeit Bereiche mit periodisch veränderlicher Brechzahl, die eine
Krümmung der Lichtstrahlen verursachen. Dadurch gibt es in oder hinter der Schallwelle Gebiete, in
denen die Lichtstrahlen konvergieren (helle Konvergenzlinien). Es entsteht eine Verteilung der
Lichtintensität, die periodisch mit der Schallwellenlänge ist. In unserem Fall stehender Schallwellen
entsteht und verschwindet in jeder Halbperiode die stehende Welle, wobei sich die Lage des
'Schallwellengitters' periodisch um λSchall/2 verschiebt. Somit entstehen während einer Periode zwei
Dichteverteilungen und damit auch zwei beugende Systeme, die räumlich um λSchall/2 gegeneinander
verschoben sind. Bei fortschreitenden Schallwellen kann man die hellen Konvergenzlinien nur mit
besonderen Hilfsmitteln (z.B. Stroboskop) beobachten.
Bei der Zusatzaufgabe wird ein Laserstrahl divergent aufgeweitet und so justiert, dass der
Flüssigkeitsbereich zwischen Piezoschwinger und gegenüberliegender Küvettenwand gut ausgeleuchtet
wird. Durch die Wirkung des Ultraschallfeldes treten als Folge der Dichteschwankungen
Brechzahlschwankungen in bestimmtem Ebenen (Phasen) der Flüssigkeit auf, die ein Beugungsgitter
mit der Schallwellenlänge λS als Gitterkonstante darstellen und um λS/2 gegeneinander versetzt sind.
Das die Flüssigkeit durchsetzende Licht wird dabei in Bereichen mit örtlich stark variierender
Brechzahl (starke Druckschwankungen) in den Schwingungknoten abgelenkt, während es in den
Bereichen der Schwingungsbäuche nahezu keine Richtungsänderung erfährt. In der Zentralprojektion
erscheinen daher die Schwingungsknoten als dunkle und die Schwingungbäuche als helle Streifen. Aus
Abb. 3 kann aus dem Streifenabstand a (der sich aus der Messung des Abstandes d zweier
Beugungsstreifen und der Anzahl N der dazwischenliegenden Streifen ergibt) der Knotenabstand λS/2
bzw. die Schallwellenlänge λS ermittelt werden:
λS = 2a
s1
s1 + s2
mit
a=
d
N +1
Die Schallgeschwindigkeit ergibt sich dann mit der bekannten Schallfrequenz.
Abb. 3 Strahlengang der Zentralprojektion
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