Пульсирующий резервуар

В физике резервуар с пульсацией — это неглубокий стеклянный резервуар с водой, используемый для демонстрации основных свойств волн . Это специализированная форма волнового резервуара . Резервуар с рябью обычно подсвечивается сверху, так что свет проникает сквозь воду. Некоторые небольшие резервуары с пульсацией помещаются на верхнюю часть диапроектора , т. е. они освещаются снизу. Рябь на воде проявляется в виде теней на экране под резервуаром. Можно продемонстрировать все основные свойства волн, включая отражение , преломление , интерференцию и дифракцию .

Рябь может создаваться куском дерева, подвешенным над резервуаром на резинках так, чтобы он едва касался поверхности. К дереву прикручен двигатель , к оси которого прикреплен смещенный от центра груз. Когда ось вращается, двигатель раскачивается, сотрясая древесину и создавая пульсацию.

Демонстрация волновых свойств

Ряд волновых свойств можно продемонстрировать с помощью пульсационного резервуара. К ним относятся плоские волны , отражение, преломление, интерференция и дифракция.

Плоские волны

Когда рябь опускается так, что она едва касается поверхности воды, возникают плоские волны.

Крупный план ряби: коричневый прямоугольник представляет собой колеблющуюся лопасть.

Круговые волны

Когда рябь прикрепляется к острому сферическому шару и опускается так, чтобы он едва касался поверхности воды, возникают круговые волны.

Отражение

Численная аппроксимация картины дифракции от щели шириной, равной пятикратной длине волны падающей плоской волны, в 3D-визуализации

Численная аппроксимация картины дифракции от щели шириной, равной длине волны падающей плоской волны, в 3D-визуализации

Демонстрация отражения и фокусировки зеркал.

Поместив металлический стержень в резервуар и постукивая по деревянному стержню, можно послать на металлический стержень импульс из трех или четырех пульсаций. Рябь отражается от бара. Если стержень расположен под углом к фронту волны, можно увидеть, что отраженные волны подчиняются закону отражения. Угол падения и угол отражения будут одинаковыми.

Если используется вогнутое параболическое препятствие, импульс плоской волны после отражения сойдётся в точке. Эта точка является фокусом зеркала. Круглые волны можно создать, капнув одну каплю воды в резервуар для пульсации. Если это сделать в фокусе «зеркала», плоские волны отразятся обратно.

Преломление

Если в резервуар поместить лист стекла, глубина воды в резервуаре над стеклом будет меньше, чем где-либо еще. Скорость волны в воде зависит от глубины, поэтому рябь замедляется по мере прохождения по стеклу. Это приводит длины волны к уменьшению . Если место соединения глубокой и мелкой воды находится под углом к фронту волны , волны будут преломляться. На диаграмме выше видно, что волны изгибаются в сторону нормали. Нормаль показана пунктирной линией. Пунктирная линия — это направление, в котором бы двигались волны, если бы они не встретились с наклонным куском стекла.

На практике показать преломление с помощью пульсирующего резервуара довольно сложно.

Лист стекла должен быть достаточно толстым, а вода над ним - как можно более мелкой. Это максимизирует разницу глубин и, следовательно, приводит к большей разнице скоростей и, следовательно, к большему углу.
Если вода слишком мелкая, эффект вязкого сопротивления приводит к очень быстрому исчезновению ряби.
Стекло должно иметь гладкие края, чтобы минимизировать отражения на краях.

Дифракция

Если на пути ряби находится небольшое препятствие и используется низкая частота, области тени не будет, поскольку рябь преломляется вокруг нее, как показано ниже справа. Более высокая частота может привести к появлению тени, как показано ниже справа. Если в резервуаре находится большое препятствие, вероятно, будет наблюдаться теневая область.

Если в резервуар поместить препятствие с небольшим зазором, рябь образуется почти полукругом. Однако если зазор велик, дифракция гораздо более ограничена. Малый в данном контексте означает, что размер препятствия сравним с длиной волны ряби.

Дифракция от сетки

Можно также увидеть явление, идентичное дифракции рентгеновских лучей на атомной кристаллической решетке , демонстрируя тем самым принципы кристаллографии . Если опустить в воду сетку препятствий с расстоянием между препятствиями, примерно соответствующим длине волны водных волн, можно увидеть дифракцию от сетки. Под определенными углами между сеткой и набегающими волнами будет казаться, что волны отражаются от сетки; под другими углами волны пройдут. Аналогичным образом, если частота (длина волны) волн изменяется, волны также будут попеременно проходить или отражаться, в зависимости от точного соотношения между расстоянием, ориентацией и длиной волны.

Помехи

Помехи могут быть созданы за счет использования двух ковшей, прикрепленных к основной волнистой планке. На диаграммах ниже слева светлые области представляют собой гребни волн, черные области — впадины. Обратите внимание на серые зоны: это области деструктивной интерференции, где волны от двух источников нейтрализуют друг друга. Справа — фотография двухточечной интерференции, возникающей в резервуаре с круговой пульсацией.

См. также

Капиллярная волна
PSSC Физика - новаторский учебник физики для средней школы, в котором широко используются пульсирующие резервуары для иллюстрации волн.
Уравнения мелкой воды
Волновой резервуар

Ссылки

Брейтаупт, Джим (2000) Новое понимание физики для продвинутого уровня, страницы 309–312, Нельсон Торнс. ISBN 9780748743148 .

Внешние ссылки