Загальна інформація
Застосування
Хвилі на воді від дощу
Хвилі трапляються нам у найрізноманітніший спосіб: у калюжах після дощу, на пляжі чи під час серфінгу. Накладання різних хвиль призводить під час шторму у відкритому морі до виникнення велетенських хвиль на воді.
Саме про це явище накладання та його значення для фізики і йдеться в цьому досліді.
Інша інформація (1/3)
Попередні знання
В ідеалі закон заломлення Снелліуса, а також значення поверхневого натягу мали б бути розглянуті на уроках. Проте обов'язковою передумовою для розуміння цього досліду вони не є.
Принцип
Хвилі на воді утворюють за допомогою вбудованого збудника хвиль. Стрижень, на вістрі якого закріплено наконечник, затискають у блоці збудника. Можна встановити довільну частоту збудника (5–60 Гц), з якою наконечник занурюється у воду хвильової ванни (11260-14). Через занурення наконечника й утворюються хвилі на воді.
Інша інформація (2/3)
Навчальна мета
Уведення основних хвильових явищ: утворення, поширення, інтерференція, заломлення.
Завдання
- На прикладі двох різних збудників показано, що приладом для хвиль на воді можна утворювати як колові хвилі, так і хвилі з прямолінійними фронтами.
- Демонстрація утворення хвильових пучків затіненням за допомогою діафрагм на прикладі колових і паралельних хвиль.
Інша інформація (3/3)
У дні приладу для хвиль на воді вбудовано зелений світлодіод. Він підсвічує хвильову ванну знизу й дає контрастне зображення хвиль. Доступні режими освітлення - як безперервне, так і стробоскопічне. Стробоскопічне освітлення дозволяє сповільнити швидкість поширення хвиль аж до повної зупинки. Докладніше про налаштування стробоскопічного освітлення - далі.
Експериментальний столик можна поставити на прилад. Якщо покласти на столик білий аркуш паперу, хвильову картину можна розглядати на папері. Крім того, папір можна використати для документування й пояснення хвильових явищ, перевівши на нього істотні хвильові структури. Для кращої видимості хвиль на папері може знадобитися затемнення приміщення.
При створенні хвильових зображень повністю відмовилися від фокусувальних оптичних елементів. Зображення виникає виключно завдяки заломлювальним властивостям поверхні води.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія (1/4)
Без демонстраційних дослідів із хвилями, які видно безпосередньо, опрацювати фізичне поняття «хвиля» неможливо. Найважливіші з основних хвильових явищ доцільно унаочнювати хвилями, зв'язаними з лінійним носієм (хвилі в шнурі або крутильні хвилі у хвильовій машині). За допомогою таких лінійних хвиль можна продемонструвати властивості поширення, відбивання при нормальному падінні, накладання зустрічних хвиль у стоячу хвилю і дисперсію, а також різні форми поляризації (лінійну, колову).
У дійсності ж майже завжди трапляються хвилі, які поширюються тривимірно, - наприклад, звукові чи електромагнітні. Усі характерні для таких хвиль явища (закон відбивання, закон заломлення, інтерференція, дифракція) особливо наочно подаються у двох вимірах, а здобуті так знання учень легко переносить на три виміри простору. Як безпосередньо видимі хвилі такого типу для демонстраційних уроків добре надаються всім знайомі хвилі на воді.
Теорія (2/4)
Для демонстрації характерних фізичних явищ поверхневих хвиль слугує описаний вище прилад PHYWE для хвиль на воді. Істотно, що цим приладом можна утворювати як хвилі з коловими фронтами (аналогічно до розбіжного світла від точкового джерела зі сферичними фронтами), так і хвилі з прямолінійними фронтами (аналогічно до паралельного світла з плоскими фронтами).
У вступних дослідах 1.1 і 1.2 показано, що фундаментальні спостереження тіні й відбивання узгоджуються із законами геометричної оптики.
Швидкість поширення хвиль на воді визначають за встановленою частотою збудника і виміряною довжиною хвилі за формулою
.
Теорія (3/4)
Те, що ця швидкість дуже мала - лише близько 0,2 м/с (пор. 1.3), - дає змогу вражаюче продемонструвати вкорочення чи видовження довжини хвилі перед рухомим збудником і за ним (ефект Доплера, 1.4).
Якщо, наприклад, пучок світла падає навскіс на межу між оптично менш густим і оптично густішим середовищем, він заломлюється до перпендикуляра падіння. Якщо припустити різні швидкості поширення світлових хвиль у двох середовищах, спостережуване заломлення можна зробити зрозумілим і кількісно, застосувавши принцип Гюйгенса - Френеля. Проте безпосередньо наочною фізична суть заломлення стає лише в паралельному досліді з хвилями на воді, де оптично густіше середовище моделюють зоною мілкої води. Після того як вплив зони мілкої води на швидкість поширення хвиль досліджено кількісно (2.1), досліди 2.2 і 2.3 модельно унаочнюють заломлення в кількох важливих оптичних елементах - плоскопаралельній пластині, призмі, збиральній та розсіювальній лінзах.
Теорія (4/4)
Інтерференція і дифракційні явища - єдині критерії, за якими можна довести хвильову природу світла. Але переконливими ці оптичні досліди як доказ стають лише тоді, коли інтерференцію й дифракцію попередньо модельно продемонстровано на наочних хвилях. Відповідні досліди з інтерференції та дифракції - предмет розділів 3 і 4. Досліди з хвилями на воді дозволяють, на відміну від оптичних, значно чіткіше розмежувати поняття дифракції та інтерференції. В оптичних дослідах дифракційні явища завжди супроводжуються ще й інтерференцією, бо чиста дифракція виникає лише, наприклад, на щілинах, ширина яких не перевищує довжини хвилі.
Оскільки виготовлення щілин завширшки менше ніж 1 мкм становить великі технічні труднощі, а до того ж енергії, що пройшла крізь такий малий отвір, не вистачило б для зорового спостереження, в оптичних дослідах доводиться принципово брати ширші щілини. З хвилями ж на воді чисту дифракцію на достатньо вузькій щілині показати неважко.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість | 1 | Прилад PHYWE для хвиль на воді зі світлодіодним джерелом світла, повний комплект | 11260-88 | 1 |
|---|
Складання та виконання
Складання (1/13)
У дні приладу для хвиль на воді вбудовано зелений світлодіод. Він підсвічує хвильову ванну знизу й дає контрастне зображення хвиль. Доступні режими освітлення - як безперервне, так і стробоскопічне. Стробоскопічне освітлення дозволяє сповільнити швидкість поширення хвиль аж до повної зупинки. Докладніше про налаштування стробоскопічного освітлення - далі.
Експериментальний столик можна поставити на прилад. Якщо покласти на столик білий аркуш паперу, хвильову картину можна розглядати на папері.
Складання (2/13)
Хід проєкції
Крім того, папір можна використати для документування й пояснення хвильових явищ, перевівши на нього істотні хвильові структури. Для кращої видимості хвиль на папері може знадобитися затемнення приміщення.
При створенні хвильових зображень повністю відмовилися від фокусувальних оптичних елементів. Зображення виникає виключно завдяки заломлювальним властивостям поверхні води.
Світло світлодіода стає розбіжним у западинах хвиль і збіжним на гребенях. Через це западини видно на поверхні спостереження як темні смуги, а гребені - як світлі. За цим принципом і утворюються контрастні та чіткі хвильові зображення.
Складання (3/13)
Слід зважати, що добрий контраст зображення виходить лише за малих амплітуд хвиль. За більших амплітуд промені від світлодіода сходяться ще до поверхні спостереження й далі, на шляху до неї, знову розходяться, через що хвильове зображення зникає. Саме тому збудник хвиль обладнано регулюванням амплітуди. Завдяки цьому потрібні для окремих дослідів різні амплітуди збудження можна встановити в будь-якому разі
Складання (4/13)
Хвильова ванна
Внутрішні краї хвильової ванни обклеєно поролоном. Це дає майже повне поглинання хвиль, що набігають на краї ванни, і запобігає небажаним відбиванням. Для наповнення ванни використовують пляшку-промивалку з комплекту. Ванну слід наповнити водою приблизно на три чверті.
Складання (5/13)
Хвильова ванна
Щоб придушити відбивання хвиль від країв, після наповнення варто провести пальцем по всьому поролоновому краю - так поролон краще вбере воду. Чотирма регулювальними гвинтами хвильову ванну вирівнюють по горизонталі. Для цього доцільно дивитися майже вздовж поверхні води й брати за орієнтир висоту рівня води біля окремих країв ванни. Обертанням чотирьох гвинтів ванну вирівнюють, доки рівень води з усіх боків не стане приблизно однаковим. Проте точне юстування потрібне лише для дослідів із плоскими хвилями.
Складання (6/13)
Прилад для хвиль на воді має панель керування і РК-екран для показу вибраних налаштувань. Далі пояснено окремі можливості налаштування:
Складання (7/13)
| Кнопка | Функція | |
|---|---|---|
| Vib | Вмикає і вимикає блок збудника (внутрішній і зовнішній). | |
| LED | Цим вмикають і вимикають світлодіод та перемикають між безперервним і стробоскопічним освітленням. | |
| Pulse |
| |
| Reset | Вимикає блок збудника і світлодіод. Усі інші налаштування зберігаються, щоб можна було швидко повернути прилад у попередній стан. | |
| Cal int. | Для калібрування вбудованого збудника. Амплітуду збудника можна змінювати в межах від 80 % до 120 %. Якщо амплітуди вбудованого і зовнішнього збудників різняться, так можна точно підлаштувати амплітуду вбудованого збудника під зовнішній. Спершу натисніть кнопку Cal int. Одразу після цього кнопками (+) і (−) регулювання амплітуди виконайте точне підлаштування. Калібрування зберігається і після Reset, і після виймання вилки з розетки. |
Складання (8/13)
| Кнопка | Функція | |
|---|---|---|
| Cal ext. | Як Cal int., але для калібрування зовнішнього вібраційного генератора. | |
| f | Збільшує (+) або зменшує (−) частоту збудника в межах від 5 Гц до 60 Гц. | |
| f |
| |
| / | Задає різницю фаз між вбудованим збудником і додатковим другим збудником, який під'єднують двома кабелями на задній панелі приладу. У вихідному стані обидва збудники коливаються синфазно. Кнопками «+» і «−» можна встановити різницю фаз від 0° до 360° із кроком 15°. | |
| Amplitude | Збільшує (+) або зменшує (−) амплітуду збудника. Можливі амплітуди в межах від рівня 1 до 8. |
Складання (9/13)
Приладом PHYWE для хвиль на воді можна утворювати як колові, так і плоскі хвилі.
Щоб утворити колову хвилю, одиничний збудник закріплюють на важелі збудника так, щоб він був приблизно над серединою хвильової ванни. Обертанням натискного гвинта на важелі збудник опускають, доки він не зануриться у воду ванни. Тоді встановлюють безперервне світло, частоту збудника між 5 Гц і 25 Гц та малу амплітуду. Поверхнею спостереження слугує експериментальний столик із покладеним на нього білим аркушем паперу. Для кращої видимості хвильової картини може бути корисно затемнити приміщення.
Складання (10/13)
Миттєвий знімок поля колових хвиль
Якщо хвильова картина спотворена або нечітка, слід змінювати частоту збудника та/або амплітуду, доки не з'явиться картина, подібна до показаної.
Крім того, можна утворювати кілька колових хвиль одночасно. Для цього використовують подвійний збудник або гребінку з максимум 10 наконечниками.
Складання (11/13)
Утворення плоских хвиль дещо складніше, бо потребує точнішого вирівнювання хвильової ванни й самого збудника плоских хвиль. До того ж для кращого змочування у воду слід додати 1–2 краплі мильного розчину. При цьому важливо не перевищити дозування, бо інакше виникне каламуть, яка погіршить якість зображення.
Монтажний стрижень із повзунком закріплюють на збуднику і підводять до нижнього краю хвильової ванни
Складання (12/13)
Плоскі хвилі на воді
Далі хвильову ванну треба правильно відюстувати, бо збудник плоских хвиль має занурюватися у воду точно рівномірно. Інакше хвильова картина може бути спотвореною або нечіткою. Вказівки щодо правильного юстування ванни - у розділі «Хвильова ванна».
Збудник плоских хвиль теж треба вирівняти по горизонталі. Для цього його закріплюють на блоці збудника приблизно горизонтально і обертають натискний гвинт на блоці, доки збудник не опиниться трохи над поверхнею води. Взявши поверхню води за опорну площину, збудник плоских хвиль вирівнюють горизонтально. Після цього натискний гвинт обертають далі, доки збудник не зануриться у воду ванни (приблизно на 1–2 мм). Тоді встановлюють частоту збудника між 15 Гц і 25 Гц, малу амплітуду та безперервне світло. Має з'явитися хвильова картина.
Складання (13/13)
Використання стробоскопічного освітлення
В описах окремих дослідів використання стробоскопічного світла приписано лише тоді, коли воно потрібне для досягнення мети досліду. Усі інші досліди варто спершу виконувати без стробоскопа, бо стробоскопічне освітлення подекуди істотно змінює враження від зображення. Інтерференційні картини за безперервної проєкції видно значно виразніше, ніж за стробоскопічного освітлення.
У цьому зв'язку слід зважати, що людське око здатне розрізняти хвильові картини за безперервного освітлення лише в нижньому діапазоні частот (приблизно до 30 Гц). Тому радимо при роботі з безперервним освітленням використовувати частоти лише приблизно до 25 Гц. За коротших довжин хвиль (вищих частот) слід вмикати стробоскопічне світло, щоб сповільнити поширення хвиль і зробити його видимим для ока.
Виконання - дослід 1 (1/2)
1. Колові хвилі:
На приладі для хвиль на воді виконують такі налаштування:
| Частота збудника | 5...20 Гц |
| Амплітуда збудника | рівень 1...2 |
| Освітлення | безперервне |
Збудник хвиль (наконечник) має занурюватися у воду ванни приблизно вертикально, щоб уникнути спотворень колової форми гребенів і западин.
Виконання - дослід 1 (2/2)
2. Плоскі хвилі:
Для утворення плоских хвиль потрібне точне юстування збудника плоских хвиль і хвильової ванни. Після успішного юстування на приладі виконують такі налаштування:
| Частота збудника | 15...20 Гц |
| Амплітуда збудника | рівень 1...2 |
| Освітлення | безперервне |
Можливі нерівномірності в ході гребенів і западин, імовірно, спричинені неповним змочуванням збудника плоских хвиль (бульбашки повітря). За потреби бульбашки слід прибрати рукою. Для кращого змочування у воду можна додати 1–2 краплі мильного розчину.
Виконання - дослід 2 (1/2)
1. Колові хвилі:
Монтажний стрижень з одиничним наконечником як збудником підводять до нижнього краю ванни. Обидві перепони кладуть у хвильову ванну.
Для цього досліду на приладі діють ті самі налаштування, що й для досліду 1.
Положення обох перепон за потреби виправляють так, щоб їхні поздовжні осі дотично продовжували колову хвилю, що проходить крізь щілину. Так уникають завадної інтерференції, яка може виникнути через відбивання від переднього й заднього країв щілини.
Виконання - дослід 2 (2/2)
2. Плоскі хвилі:
Одиничний наконечник як збудник тепер замінюють на збудник плоских хвиль. Обидві перепони розміщують у хвильовій ванні так, щоб вони утворили щілинну діафрагму.
Збудник плоских хвиль ретельно юстують. Для приладу діють ті самі налаштування, що й у досліді 1. Має вийти виразна хвильова картина.
Опрацювання результатів - дослід 1 (1/3)
Миттєвий знімок колових хвиль
Доповни. Від одиничного ____ розходяться ____, гребені й западини яких утворюють концентричні ____ із ____ у центрі.
Опрацювання результатів - дослід 1 (2/3)
Миттєвий знімок плоских хвиль; ділянку (1) слід розпізнати як артефакт.
Доповни. Від ____ розходяться хвилі, ____ й западини яких ідуть ____ і паралельно до ____.
Опрацювання результатів - дослід 1 (3/3)
Тлумачення
Одиничний наконечник, рухаючись у воді вниз, через стійку лінію змочування на ньому локально прогинає рівень води довкола себе донизу. Це збурення поверхні води відходить від наконечника в усіх напрямках з однаковою швидкістю як колова западина. Під час подальшого руху вгору рівень води довкола наконечника піднімається разом із ним. Виникає кільцевий гребінь, який іде за западиною у формі концентричного кола. Через періодичний рух наконечника вгору-вниз і постає показана неперервна хвильова картина.
Збудник плоских хвиль поводиться приблизно як безліч щільно розташованих поруч, лінійно впорядкованих точкових збудників хвиль. За принципом Гюйгенса відтворені плоскі хвилі можна тлумачити як накладання колових хвиль, що розходяться від цих точкових збудників.
Опрацювання результатів - дослід 2 (1/3)
Результат досліду
Доповни. З повного поля колових хвиль ____ вирізає хвильовий пучок. Межі цього пучка ____ і мають свій ____ у місці ____. Хвильовий пучок уже не має чіткої межі.
Опрацювання результатів - дослід 2 (2/3)
Результат досліду
Доповни. З ____ вирізається ____. Межі цього пучка ____. Хвильовий пучок уже не має чіткої межі - хвилі продовжуються в зоні тіні діафрагми у вигляді слабкої частки неплоских хвиль.
Опрацювання результатів - дослід 2 (3/3)
Тлумачення
Геометрична оптика послуговується поняттями «розбіжний» і «паралельний» пучок променів. У хвильовій моделі розбіжному пучкові променів відповідає пучок колових хвиль, а паралельному - пучок плоских хвиль.
Дослід показує, що ці поняття геометричної оптики є ідеалізацією, яка не цілком відповідає хвильовій природі світла: через дифракцію, яка завжди виникає при обмеженні хвильових пучків діафрагмами, чітких межових ліній не буває. Такі дифракційні явища добре видно на рисунках.