Бак пульсации - Ripple tank

Простой пульсирующий резервуар

В физике , А пульсация бак представляет собой неглубокий стеклянный резервуар воды , используемый , чтобы продемонстрировать основные свойства волн . Это специализированная форма волнового резервуара . Пульсации бака, как правило , освещается сверху, так что свет светит через воду. Некоторые небольшие резервуары пульсации помещаются на верхнюю часть диапроектора , т.е. они подсвечиваются снизу. Рябь на воде проявляется в виде теней на экране под резервуаром. Могут быть продемонстрированы все основные свойства волн, включая отражение , преломление , интерференцию и дифракцию .

Волны могут возникать из-за того, что кусок дерева подвешен над резервуаром на резинках так, что он просто касается поверхности. К дереву прикручен двигатель , к оси которого прикреплен смещенный по центру вес. Когда ось вращается, двигатель раскачивается, сотрясая дерево и создавая рябь.

Демонстрация волновых свойств

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

Плоские волны

Изображение плоских волн

Когда рипплер опускается так, что он просто касается поверхности воды, образуются плоские волны.

  • Крупный план рипплера - коричневый прямоугольник представляет собой колеблющуюся лопасть.

Круговые волны

Бак пульсации со сферическим источником, создающим круговые волны

Когда рипплер прикреплен с помощью точечного сферического шара и опущен так, чтобы он едва касался поверхности воды, образуются круговые волны.

Отражение

Волна охватывает небольшой объект
Волны, короткие по сравнению с размером объекта, будут обволакивать объект.
Тень от большого объекта
Волны, которые являются короткими по сравнению с размером объекта, будут отбрасывать тень за объектом.
Численная аппроксимация дифракционной картины от щели шириной, в пять раз превышающей длину волны падающей плоской волны в 3D-визуализации
Численная аппроксимация дифракционной картины от щели шириной, равной длине волны падающей плоской волны в 3D-визуализации

Демонстрация отражения и фокусировки зеркал

Поместив металлический стержень в резервуар и постучав по деревянному стержню, можно направить на металлический стержень импульс трех из четырех волн. 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 будет тем же самым .

Если используется вогнутое параболическое препятствие, импульс плоской волны сходится в точке после отражения. Эта точка - фокус зеркала. Круговые волны можно создать, опустив одну каплю воды в резервуар пульсации. Если это сделать в фокусе «зеркала», плоские волны будут отражаться 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 к уменьшению длины волны . Если стык между глубокой и мелкой водой находится под углом к фронту волны , волны будут преломляться. На диаграмме выше видно, что волны изгибаются к нормали. Нормаль показана пунктирной линией. Пунктирная линия - это направление, в котором волны двигались бы, если бы они не встретились с наклонным куском стекла.

На практике показать рефракцию с помощью пульсации резервуара довольно сложно.

  • Стеклянный лист должен быть достаточно толстым, а вода над ним должна быть как можно более мелкой. Это увеличивает разницу глубин и, следовательно, вызывает большую разницу в скорости и, следовательно, больший угол.
  • Если вода слишком мелкая, эффекты вязкого сопротивления заставляют рябь исчезать очень быстро.
  • Стекло должно иметь гладкие края, чтобы минимизировать блики по краям.

Дифракция

Смотрите также: принцип Гюйгенса

Если на пути ряби помещено небольшое препятствие и используется медленная частота, тени не будет, так как рябь преломляется вокруг нее, как показано ниже справа. Более высокая частота может привести к появлению тени, как показано ниже справа. Если в резервуар поставить большое препятствие, вероятно, будет наблюдаться тень.

Если в бак помещается препятствие с небольшим зазором, рябь образует почти полукруглую форму. Однако, если зазор велик, дифракция гораздо более ограничена. В данном контексте « маленький» означает, что размер препятствия сопоставим с длиной волны ряби.

Дифракция на сетке

Явление идентично рентгеновская дифракция от рентгеновских лучей от атомной кристаллической решетки также можно видеть, таким образом , демонстрируя принципы кристаллографии . Если опустить сетку препятствий в воду, с расстоянием между препятствиями, примерно соответствующим длине волны волн на воде, вы увидите дифракцию от сетки. При определенных углах между сеткой и набегающими волнами будет казаться, что волны отражаются от сетки; под другими углами волны будут проходить. Точно так же, если частота (длина волны) волн изменяется, волны также будут попеременно проходить или отражаться, в зависимости от точного соотношения между расстоянием, ориентацией и длиной волны.

Вмешательство

Помехи могут быть вызваны использованием двух ковшей, прикрепленных к основной полосе пульсации. На диаграммах ниже слева светлые области представляют гребни волн, черные области - впадины. Обратите внимание на серые области: это области разрушительной интерференции, где волны от двух источников нейтрализуют друг друга. Справа - фотография двухточечной интерференции, возникающей в круглом резервуаре пульсации.

Смотрите также

использованная литература

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

внешние ссылки