Киргизов Григорий 11 класс МБОУ СОШ с УИОП

Киргизов Григорий, 11 класс, МБОУ СОШ с УИОП, г. Салехард 1

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. 2

3

Выяснить по каким причинам появляется звук, исследовать и описать это явление. Объект исследования – преобразование оптического излучения в акустическое. Предмет исследования – банка, покрытая сажей наполовину. 4

Звук образуется благодаря поглощению сажей электромагнитного излучения (света) и его преобразования в тепловую энергию. 5

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 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. 6

Фотоакустический эффект – это образование звуковой волны вследствие поглощения материалом электромагнитного излучения. Эффект был открыт А. Бэллом в 1880 году. Механизмы, порождающие фотоакустический эффект: • Фототермический • Фотофизический • Фотохимический 7

Первые эксперименты и их анализ 8

В представленных экспериментах использовались: • Лампы накаливания различной мощности • Стеклянные банки объемом 500 мл • Микрофон • Программа для анализа спектра звука Spectrum Lab 9

Звук обнаруживается. 10

Звук не обнаруживается. 11

Предположение. Различие результатов экспериментов связано с различием характеристик излучения. И это различие зависит от характера тока. Литература подтвердила предположение: Изменяемым параметром излучения является его интенсивность (амплитуда). При питании от переменного тока интенсивность излучения колеблется. А причина этих колебаний – модуляция света. 12

Модуляция света – это изменение по заданному закону во времени интенсивности (амплитуды) колебаний оптического излучения. При внутренней модуляции преобразование излучения происходит в процессе его формирования в источнике оптического излучения. При внешней модуляции параметры излучения изменяют после его выхода из источника с помощью модуляторов света. Амплитудно-модулированное излучение 13

Анализ фототермического механизма 14

Фототермический механизм - нагревание вещества поглощаемым электромагнитным излучением. Фототермический механизм можно разделить на следующие этапы: 1) Поглощение материалом (сажей) модулированного электромагнитного излучения; 2) Периодические колебания температуры в местах поглощения излучения вследствие периодических колебаний интенсивности излучения; 3) Колебания температуры вызывают колебания давления по закону Шарля: 4) Возбуждение акустических волн в среде, окружающей область поглощения излучения вследствие колебаний давления. 15

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. 16

ы олн е в овы к Зву Лампа Q Материал AC Модулированное световое излучение 17

Побочные эксперименты 18

19

20

Громкость звука (д. Б) Расстояние (см) -40 3 7 11 15 19 23 30 -45 -50 -55 -60 -65 -70 21

22

Мощность лампочки (Вт) -30 7 15 40 60 Громкость (д. Б) -35 -40 -45 -50 -55 -60 23

Выводы 24

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. 25

Применение явления 26

• Высокочувствительные методы газового анализа; • Дефектоскопия, выявление неоднородностей непрозрачных материалов; • В биомедицине (ФА томография): – Мониторинг гемодинамики (движения крови) – Выявление повреждений мозга – Обнаружение рака молочной железы – Фотоакустическая микроскопия 27

28

29

1) http: //en. wikipedia. org 2) Manfred Euler, Kurt Niemann, and Andreas Muller. Hearing Light. Phys. Teach. 38, 6, 356358 (2000), unilandau. de/physik/Hearing%20 Light. pdf 3) http: //encyclop. ru – Большая Советская Энциклопедия 4) http: //www. ngpedia. ru/ 5) Sound by Radiant Energy – A. G. Bell 6) X. Wang, et al. (2006). "Non-invasive imaging of hemoglobin concentration and oxygenation in the rat brain using high-resolution photoacoustic tomography" 30