Волны на поверхности воды, исследовательская работа

Международная научно-практическая конференция

«Первые шаги в науку»

Исследовательская работа

«Волны на поверхности воды».

Предметная область: физика.

Авторы работы:

Дыченкова Анастасия,

Сафронова Алена,

ученицы 10 класса

Руководитель:

Образовательное учреждение:

МБОУ СОШ №52 г. Брянска.

Брянск 2013

Школьник понимает физический опыт только тогда, хорошо, когда он его делает сам.

Актуальность исследования.

Наше исследование - опыт практической работы и традиционная методика изучения интерференционных и дифракционных явлений. Как говорил ученый , “при повышении теоретического уровня важно не впасть в крайность, вытравив из лекций эксперимент, так как учебные демонстрации не являются лишь дополнением к словесному изложению материала, а представляют его неотъемлемую часть”.
Проблема нашего исследования заключается в разработке практических основ изучения сложных интерференционных и дифракционных явлений.

Цель исследования: изучить свойства механических волн в лаборатории кабинета физики.

Задачи исследования:

Изучить:

природу механических волн;

свойства волн: интерференцию и дифракцию;

виды волн;

исследование волновых свойств в лаборатории кабинета физики.

Методы исследования:

Работа с учебниками;

работа с Интернет – ресурсами;

эксперимент.

Основное содержание.

Теоретическая часть.

Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или газообразной) среды возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание начнет распространяться в среде с некоторой скоростью υ. Процесс распространения колебаний называется волной. Частицы среды, в которой распространяется волна, не переносятся волной, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. В зависимости от направления колебания частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают продольные и поперечные волны. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. В поперечной волне частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Механические поперечные волны могут возникнуть лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвигу. Поэтому в жидкой и газообразной средах возможно возникновение только продольных волн. В твердой среде возможно возникновение как продольных, так и поперечных волн. В продольных волнах вследствие совпадения направлений колебаний частиц и волны появляются сгущения и разрежения.

Основными свойствами волн являются:

1) поглощение;

2) рассеяние;

3) отражение;

4) преломление;

5) интерференция;

6) дифракция;

7) дисперсия;

8) поляризация.

Следует заметить, что волновую природу любого процесса доказывают явления интерференции и дифракции.

Рассмотрим некоторые свойства волн более подробно:

Образование стоячих волн.

При наложении прямой и отраженной бегущих волн возникает стоячая волна. Она называется стоячей, так как, во-первых, узлы и пучности в пространстве не перемещаются, во-вторых, она не переносит энергию в пространстве.

Стоячая волна образуется устойчивая, если на длине L укладывается целое число полуволн.

Любое упругое тело (например, струна) при свободных колебаниях имеет основной тон и обертоны. Чем больше обертонов имеет упругое тело, тем красивее оно звучит.

Примеры применения стоячих волн:

- духовые музыкальные инструменты (орган, труба)

- струнные музыкальные инструменты (гитара, пианино, скрипка)

- камертоны

Интерференция волн.

Интерференция волн - устойчивое распределение с течением времени амплитуды колебаний в пространстве при наложении когерентных волн.

Волны можно считать когерентными, если:

- они имеют одинаковые частоты;

- сдвиг по фазе волн, пришедших в данную точку, величина постоянная, то есть не зависит от времени.

В данной точке при интерференции наблюдается минимум, если разность хода волн равна нечетному числу полуволн.

В данной точке при интерференции наблюдается максимум, если разность хода волн равна четному количеству полуволн или целому числу длин волн.

При интерференции происходит перераспределение энергии волн, то есть в точку минимума она почти не поступает, а в точку максимума её поступает больше.

Дифракция волн.

Волны способны огибать препятствия. Так, морские волны свободно огибают выступающий из воды камень, если его размеры меньше длины волны или сравнимы с ней. За камнем волны распространяются так, как если бы его не было совсем. Точно так же волна от брошенного в пруд камня огибает торчащий из воды прутик. Только за препятствием большого, по сравнению с длиной волны, размера образуется "тень": волны за препятствие не проникают.

Способностью огибать препятствия обладают и звуковые волны. Вы можете слышать сигнал машины за углом дома, когда самой машины не видно. В лесу деревья заслоняют ваших товарищей. Чтобы их не потерять, вы начинаете кричать. Звуковые волны, в отличие от света, свободно огибают стволы деревьев и доносят ваш голос до товарищей.

Дифракция - явление нарушения закона прямолинейного распространения волн в однородной среде или огибание препятствий волнами.

На пути волны экран с щелью:

Длина щели много больше длины волны. Дифракция не наблюдается.

Длина щели соизмерима с длиной волны. Дифракция наблюдается.

На пути волны преграда:

Размер преграды много больше длины волны. Дифракция не наблюдается.

Размер преграды соизмерим с длиной волны. Дифракция наблюдается(волна огибает препятствие).

Условие наблюдения дифракции: длина волны соизмерима с размерами препятствия, щели или преграды

Практическая часть.

Для проведения опытов мы использовали прибор «Ванна волновая»

Опыт №1

Интерференция двух круговых волн.

Наливаем в ванну воду. Опускаем в нее насадку, для образования двух круговых волн.

Чередование светлых и темных полосок. В тех точках, где фазы одинаковы, происходит увеличение амплитуды колебаний;

Источники - когерентны.

Опыт №2

Круговая волна.

Интерференция падающей и отраженной волны.

Вывод: для наблюдения интерференции источники волн должны быть когерентными.

Опыт №3

Интерференция плоских волн.

Опыт №4

Стоячие волны.

1.  Закрепили в вибраторе насадку для создания плоской волны и получите устойчивую картину плоских волн на экране.

2.  Установили барьер-отражатель параллельно волновому фронту.

3.  Собрали из двух препятствий аналог уголкового отражателя и погрузите его в кювету. Вы увидите стоячую волну в виде двумерной (сетчатой) структуры.

4.  Критерием получения стоячей волны является переход формы поверхности в точках, где находиться пучность, из выпуклой (светлые точки) в вогнутую (темные точки) без какого-либо смещения этих точек.

Опыт №5

Дифракция волны на препятствии.

Получили устойчивую картину излучения плоской волны. На расстоянии примерно 50 мм от излучателя расположите препятствие – ластик.

Уменьшая размер ластика, получаем следующее: (а – длина ластика)

а = 8 см а = 7мм

а = 4,5 мм а=1,5 мм

Вывод: дифракция не наблюдается, если, а > λ, дифракция наблюдается,

если а < λ, следовательно, волна огибает препятствия.

Опыт №6

Определение длины волны.

Длина волны λ - расстояние между соседними гребнями или впадинами. Изображение на экране увеличено в 2 раза по сравнению с реальным объектом.

λ =6 мм / 2 = 3мм.

Длина волны не зависит от конфигурации излучателя (волна плоская или круглая). λ =6 мм / 2 = 3мм.

Длина волны λ зависит от частоты вибратора, увеличивая частоту вибратора – уменьшатся длина волны.

λ =4 мм / 2 = 2мм.

Выводы.

1.  Для наблюдения интерференции источники волн должны быть когерентными.

2.  Дифракция не наблюдается, если, ширина препятствия больше длины волны, дифракция наблюдается, если ширина препятствия меньше длины волны, следовательно, волна огибает препятствия.

3.  Длина волны не зависит от конфигурации излучателя (волна плоская или круглая).

4.  Длина волны зависит от частоты вибратора, увеличивая частоту вибратора – уменьшатся длина волны.

5.  Данную работу можно использовать при изучении волновых явлений в 9 классе и 11 классе.

Список литературы:

1.  Ландсберг учебник физики. М.:Наука,1995.

2.  , Кикоин 9 кл. М.:Просвещение,1997.

3.  Энциклопедия для детей. Аванта +. Т.16, 2000.

4.  Савельев общей физики. Книга 1.М.:Наука,2000.

5.  Интернет – ресурсы:

http://en. wikipedia. org/wiki/Wave

http://www. /article/index. php? id_article=1898

http://www. /node/1785

http://*****/phys/book. pdf