Волновая ванна

Оборудование: волновая ванна.

1.Ванна металлическая 1 с пологими краями размером 350x450 мм и глубиной 40 мм, установленная на трёх опорах, две из которых являются уравнительными винтами а. При помощи этих уравнительных винтов ванна устанавливается в горизонтальном положении.

Сбоку ванны укреплен кронштейн с винтовым зажимом б, предназначенный для крепления вибра­тора. На дно ванны кладётся плоское стеклянное зеркало в размером 250x350 мм.

Зеркало может применяться отдельно в различ­ных опытах по оптике, а также в тех случаях, когда нужно продемонстрировать в классе различные приборы или детали, расположенные в горизон­тальной плоскости. В этом случае зеркало укреп­ляют в подставке г.

2. Вибратор 2, изготовлен из плоской стальной пружины а, которая одним концом привернута к металлическому основанию б, а на другом имеет груз с винтом в для закрепления насадок. Вдоль ос­нования вибратора может перемещаться скоба г с винтовым зажимом. Передвигая зажим вибратора, можно получать различную длину колеблющейся части пружины и, таким образом, изменять часто­ту колебаний укрепляемых на ней насадок. Вибра­тор укрепляется на борту ванны с помощью метал­лического стрежня d.

3. Набор насадок к вибратору: с одним шари­ком 3, с двумя шариками 4 и 5, с шестью шариками 6 и плоской линейкой 7; все насадки имеют вы­резы (вилки) для закрепления на вибраторе.

4. Набор вставок, изготовленных из нержавею­щего материала. Набор состоит из вогнутого зер­кала 8, из плоской стальной пластинки толщиной 0, 5 мм; линзы 9 и призмы 10, из стекла толщиной 4 мм; двух плоских экранов 11 и 12, имеющих фор­му прямой пластинки с изгибами на концах (такая форма позволяет ставить пластинку на дно ванны). С одной стороны пластинки имеют вырезы, так что в экранах, поставленных вырезами вниз, образуют­ся щели («окна»).

Перед демонстрацией опытов с ванной необхо­димо провести следующую подготовку:

1. Установить ванну на демонстрационном сто­ле так, как это представлено на рисунке 2, где по­казана установка для проекции волн на наклонный экран, расположенный над классной доской.

2. На дно ванны положить плоское зеркало.

3. Закрепить вибратор на борту ванны.

4. Налить в ванну воды (на глубину 4—5 мм) и при помощи уравнительных винтов установить ее в горизонтальном положении.

На отлогие края ванны положить полоски из какой-нибудь ткани для устранения отражения волн.

5. Поставить около ванны осветитель для тене­вого проецирования (источник света, близкий к то­чечному), чтобы свет от него, отразившись от зер­кального дна, падал на наклонный экран, как по­казано на рисунке 2, или на потолок.

6. Укрепить одну из насадок на вибраторе и в ванну поместить ту или иную вставку в зависимо­сти от характера демонстрации. На этом и заканчи­вается подготовка. Однако если представляется возможность, то на штативе под осветителем жела­тельно укрепить мотор с вращающимся на нем стробоскопическим диском. Диск должен пересе­кать пучок света, идущий от осветителя к ванне. Тогда, регулируя плавно (с помощью реостата) число оборотов мотора с диском, можно все явле­ния, протекающие в ванне, показать на экране в за­медленном темпе. Опыты с ванной производятся в затемненном помещении.

Опыт 1

Получение кольцевых волн

Одиночная кольцевая волна легко может быть по­лучена в результате быстрого однократного погру­жения в воду просто от руки, например, острия ка­рандаша или конца тонкой проволоки. Для получе­ния ряда кольцевых волн необходимо воспользо­ваться вибратором, на который предварительно на­девают насадку с одним шариком и устанавливают ее так, чтобы шарик был погружен в воду примерно наполовину. После этого слегка отклоняют и затем отпускают конец плоской пружины вибратора. На экране наблюдают распространение кольцевых волн. Осветитель для подсвета следует располо­жить около ванны таким образом, чтобы изображе­ние полностью укладывалось на экране, как пока­зано на рисунке 2.

Опыт 2

Отражение волн от плоского зеркала

Этот опыт демонстрируется с насадкой в виде пластинки. На дно ванны устанавливают плоское зеркало под углом 45° к пластинке вибра­тора. После этого приводят в движение вибратор и включают лампу для подсвета. На экране наблю­дают картину, представленную на рисунке 3. Отме­чают равенство углов падения и отражения волн.

Опыт 3

Отражение волн от вогнутого зеркала

На дно ванны устанавливают вогнутое зеркало на расстоянии 200—240 мм от шарика виб­ратора, затем приводят в колебание вибратор и включают лампу для подсвета. На экране должна получиться картина, показанная на рисунке 4, где отчетливо видно, как волны, отразившись от зерка­ла, собираются в фокусе. Если поместить шарик вибратора в главном фокусе зеркала (60—70 мм от зеркала), то можно заметить, что отраженные вол­ны становятся прямолинейными.

Опыт 4

Преломление волн

На дно ванны кладут двояковыпуклую линзу. В ванне оставляют столько воды, чтобы линза покрывалась слоем при­мерно в 2 мм. Шарик вибратора помещают на главной оптической оси близко к двойному фокус­ному расстоянию линзы. При колебаниях вибрато­ра на экране должно быть отчетливо видно за лин­зой пересечение волн в одной точке (рис. 5). Если в ванну подлить еще немного воды и шарик вибратора расположить в главном фокусе линзы, за лин­зой будут видны прямолинейные волны, рас­пространяющиеся параллельно друг к другу. Опыт можно демонстрировать и с призмой.

Опыт 5

Интерференция волн

Опыт 6

Дифракция волн

На вибратор на­девают насадку с одним шариком. На дно ванны, на расстоянии 150—300 мм от насадки вибратора, ус­танавливают плоские экраны так, чтобы между ни­ми осталась узкая щель. Приведя в колебание вибратор и включив лампу подсвета, наблюдают кар­тину, показанную на рисунке 7. Дифракцию можно видеть и в том случае, когда будут открыты два от­верстия: справа и слева от середины. Для этого на­до переставить экраны окнами вниз. В этом случае, кроме дифракции, наблюдается еще и интерференция воли.

Опыт подтверждает также, что каждую точку фронта бегущей волны можно рассматривать как центр возникновения новых кольцевых волн, кото­рые складываются между собой и образуют фронт бегущей волны (принцип Гюйгенса).

Принцип Гюйгенса показывают с насадкой, име­ющей 6 шариков. Благодаря сложению всех кольце­вых волн, полученных от шести когерентных источ­ников, образуются волны с прямолинейным фрон­том.

При подготовке и проведении опытов с волновой ванной следует иметь в виду, что демонстрации будут более выразительными и четкими при определённой частоте колебаний вибратора. Поэтому сле­дует опытным путем подобрать частоту колебаний вибратора так, чтобы на экране, наблюдалась наи­более отчетливая картина.