Nghiên cứu sóng trên mặt nước

20

Chúng ta gặp nhiều loại sóng khác nhau ở khắp mọi nơi, từ tia gamma có bước sóng rất ngắn đến chuyển động sóng cực lớn trong vùng bụi mịn rải rác giữa các ngôi sao. Nhưng vì tất cả các sóng đều mang năng lượng nên không có gì đáng ngạc nhiên khi hành vi của chúng phần lớn giống nhau.

Trong môi trường đồng nhất, sóng truyền theo đường thẳng với tốc độ không đổi, thay đổi hướng và tốc độ ở những nơi mà tính chất vật lý của môi trường thay đổi. Nếu một sóng âm thanh trong khí quyển chạm vào một vật thể rắn, chẳng hạn như một bức tường gạch, thì một phần của nó sẽ quay trở lại nguồn, giống như tiếng vang.

Nghiên cứu một loại sóng cho phép người ta khám phá những gì có thể mong đợi từ các loại sóng khác. Ví dụ, một số đặc tính âm thanh của khán giả có thể được đánh giá bằng cách quan sát hành vi của sóng trong một bể nước phẳng.

Tắm sóng có thể được thực hiện tại nhà (Hình 1). Phần chính của nó bao gồm một khung gỗ 6 với một ngôi nhà bằng kính. Độ dày khung khoảng 5 cm, diện tích đáy kính ≈ 0,2 m2. Để ngăn nước rò rỉ, nên gắn vào khung bằng mastic hoặc nhựa-LIN. Bồn tắm được lắp đặt trên bốn chân ở độ cao khoảng 0,5 m so với sàn nhà. Một đèn mờ 5 có công suất 100 W được sử dụng làm nguồn sáng để chiếu bóng của cá lên màn hình 9 nằm dưới kính. Đèn được đặt trong hộp làm bằng bìa cứng chống cháy 2 và lắp đặt ở độ cao khoảng nửa mét so với bồn tắm trên khung gỗ. Trong ô bạn cần làm đáp án số 3 để có được nguồn sáng chính xác.

Một thanh ngang bằng gỗ 11 được cố định vào hai giá đỡ 10. Một khối được treo trên thanh ngang này bằng dây thun dùng để kích thích sóng. Khoảng cách giữa thanh và mặt nước có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi vị trí của các giá đỡ kim loại và rút ngắn hoặc kéo dài các móc treo cao su.

Ở giữa khối (Hình 2), phụ kiện màu trắng số 4 được sử dụng để cố định pin cho động cơ đồ chơi. Một số hạt 5 làm bằng thủy tinh hoặc nhựa được gắn vào thanh bằng một sợi dây cứng uốn cong một góc vuông; khoảng cách giữa chúng có thể thay đổi nếu bạn thực hiện phản hồi trên thanh cứ sau 5 cm. Một động cơ dài 2-3 cm được gắn vào trục, thực hiện

21

vai trò của tải lệch tâm. Trục 1 đi qua một lỗ được khoan gần đầu vít, được cố định chắc chắn bằng đai ốc; đai ốc thứ hai 3 nằm ở đầu vít. Tốc độ của môtô có thể được điều khiển bằng một biến trở thông thường, bao gồm một lò xo thép mỏng và một chiếc kẹp cá sấu. Một đầu của lò xo được nối với pin và kẹp được nối với một trong các cực của xe máy. Tốc độ yêu cầu được chọn bằng cách kết nối đầu ra moto với các điểm khác nhau trên lò xo.

Dọc theo mép trong của bồn tắm (Hình 3) có một lưới nhôm mềm 8, được uốn vuông góc dọc theo toàn bộ chiều dài của nó và được phủ một lớp gạc 9. Sự kết hợp giữa gạc và lưới này sẽ hấp thụ năng lượng của sóng tới. Điều này ngăn phản xạ từ các cạnh của bồn tắm, có thể gây nhiễu.

Thiết bị được cân bằng, bồn tắm đổ đầy nước đến độ sâu 2 cm, đèn được bật, cực moto được nối với lò xo thép và chiều cao của khối gỗ được đặt sao cho một trong các quả bóng thủy tinh chạm vào nước. Sự quay của quả nặng lệch tâm làm cho giá đỡ hình chữ nhật dao động, quả bóng bay lên và rơi xuống trong nước. Biên độ của sóng được điều chỉnh bằng cách thay đổi vị trí của đai ốc lỏng trên vít lắp. Bước sóng, được xác định bởi khoảng cách giữa các đỉnh sóng liền kề, thay đổi tùy thuộc vào tốc độ của động cơ. Độ tương phản giữa ánh sáng và bóng của dạng sóng được chiếu lên màn hình và được điều chỉnh bằng cách xoay đèn. Thiết bị phải có ít nhất hai quả bóng, tức là hai nguồn sóng chính xác. Để thu được sóng có mặt trước thẳng (tương tự như sóng phẳng truyền trong môi trường ba chiều), người giữ quả bóng được hướng lên trên và khối được hạ xuống nước.

Lắp thiết bị sao cho kích thích sóng phẳng với khoảng cách giữa các đỉnh khoảng 5 cm. Các sóng sẽ phân kỳ khỏi nguồn sóng để mô phỏng sóng.

Cơm. 1. Bể tạo sóng mô phỏng sóng.

1 - bộ giữ nguồn sáng; 2 — hộp bảo vệ; 3—trách nhiệm về ánh sáng; 4 — động cơ rung (1,5 e); 5 — đèn mờ; 6 — khung nhà kính; 7 - gương phản xạ parafin; 8 — kẹp và lò xo thép để điều chỉnh tốc độ xe máy; 9 — màn hình; 10 — dấu ngoặc đơn; 11 - xà ngang.

Cơm. 2. Các bộ phận của máy tạo sóng.

1 - trục đi qua lỗ trên vít; 2 - giá đỡ bằng dải cao su; 3 - trọng lượng điều chỉnh biên độ dao động; 4 — động cơ rung, cố định bằng dây đeo màu trắng; 5 - quả bóng trên dây (có thể vặn nhỏ xuống để thu được nguồn sóng chính xác).

22

nick vào mép trước của bồn tắm và được hấp thụ ở đó. Đặt đèn sao cho độ tương phản là tối đa. Đặt tấm chắn parafin trong bồn tắm ở góc 45° và quan sát sóng phản xạ như thế nào (Hình 4). Cụ thể, chúng ta có thể chứng minh rằng góc $\Theta_i$ giữa hướng truyền sóng phản xạ và đường vuông góc với vật cản bằng góc $\Theta_r$ giữa hướng truyền sóng phản xạ và đường vuông góc đó.

Đặt thanh trần ở một góc khác với 45° và thay đổi bước sóng cũng như biên độ. Thật dễ dàng để xác minh rằng, đối với bất kỳ vị trí nào của vật cản, góc tới bằng góc phản xạ. Đây là định luật phản xạ đối với mọi loại sóng.

Thay tấm parafin bằng một tấm kính rộng 15 cm và dài 30 cm. Lắp đặt sao cho bề mặt trên cách đáy bồn tắm 1 cm. Đổ nước vào bồn sao cho khoảng cách từ kính đến mặt nước là 2-3 mm và tạo ra một loạt sóng phẳng. Xem sóng thay đổi như thế nào khi chúng vượt qua mép kính và chạm vào vùng nước nông. Do sự thay đổi về tốc độ, sóng sẽ lan truyền theo một hướng mới trên kính, giống như một hàng lính di chuyển từ đất liền sang đường đất (Hình 5). Ở chế độ này, sóng bị lệch khỏi hướng đầu tiên do khúc xạ, một hiện tượng được quan sát thấy ở mọi loại sóng khi chúng truyền theo một góc từ môi trường này sang môi trường khác, trong đó chúng truyền với tốc độ khác nhau. Sóng trên mặt nước được phân biệt ở chỗ chúng thay đổi tốc độ truyền khi độ sâu của môi trường thay đổi. Gần đúng, chúng ta có thể giả sử rằng tỷ lệ vận tốc truyền sóng ở vùng nước nông và sâu tỷ lệ thuận với tỷ lệ độ sâu của nước. Tỷ lệ này thực sự không gì khác hơn là chiết suất ở mặt phân cách của hai môi trường. Tốc độ truyền ánh sáng

Cơm. 3. Chi tiết giá đỡ bồn tắm và bộ hấp thụ sóng.
1 - bộ giữ nguồn sáng; 2 — giá đỡ thanh có động cơ; 3 — khung kim loại; 4 - nước; 5 - kính; 6 - mastic; 7 — giá đỡ bằng nhôm; 8 - bộ hấp thụ sóng; Vết thương 9 bit trên lưới.

và sóng âm thay đổi tùy thuộc vào mật độ của môi trường.

Sự phản xạ khi chuyển từ nước sâu sang nước nông có thể giảm
Cơm. 4. Phản xạ sóng.
1 - nguồn sóng; 2 - gương phản xạ; 3 - vuông góc với gương phản xạ; 4 - sóng thẳng; 5 - sóng phản xạ.

24

cực đại và nút phát sinh. Sin của góc đạt cực đại bằng $n\lambda/d$, trong đó $n$ là số cực đại (cực đại trung tâm, vuông góc với đường nối các nguồn, có số “không” và cực đại bán kính nằm ở cả hai phía của cực đại trung tâm được đánh số tuần tự “thứ nhất”, “thứ hai”, “thứ ba”, v.v.), $\lambda$ là bước sóng và $d$ — khoảng cách giữa các nguồn. Tương tự, các nút nằm trên tia được xác định bởi phương trình $\sin \theta = (m - 1/2)\lambda/d$. Ở đây $m$ là số nút.

Rào cản không nhất thiết phải liên tục. Một mạng lưới các chân cách đều nhau cũng phản xạ sóng (Hình 9). Khi sóng phẳng tác động liên tiếp vào một cách tử, từ mỗi sóng

Cơm. 9. Mặt cắt ngang của một mạng lưới các chốt.
1 - ghim; 2 - đế lưới nhựa.

Sóng tròn phân kỳ khỏi chốt, chúng giao thoa và lại tạo thành sóng phẳng. Ví dụ: biên độ sóng tương ứng là $n$ - một số nguyên, $\lambda$ - bước sóng, $d$ - khoảng cách giữa các hàng liền kề của cách tử (chu kỳ lưới) (Hình 10). Sự tương ứng này được gọi là công thức Bragg-Wolfe.

Sử dụng bồn tạo sóng, bạn có thể nghiên cứu hiệu ứng Doppler*. Doppler phát hiện ra rằng sự gia tăng âm thanh của một đoàn tàu đang lao tới và sự thay đổi màu sắc của một đoàn tàu đang di chuyển.

*) Chi tiết hơn về hiệu ứng Doppler được mô tả trong bài viết của L. G. Aslamazov “Hiệu ứng Doppler”, «Kvant» Số 4, 1971.

Cơm. 10. Phản xạ từ cách tử.
1 - hàng ghim; 2 - phía trước sóng trực tiếp; 3 - hướng truyền sóng trực tiếp; 4 - hướng truyền sóng phản xạ; 5—phía trước sóng phản xạ.

các ngôi sao hướng về trái đất về phía phần màu xanh của quang phổ - những hiện tượng có cùng bản chất. Cả hai hiện tượng này là do các nguồn sóng chuyển động có thể triệt tiêu và đôi khi còn lấn át sóng mà chúng phát ra. Để chứng minh hiệu ứng Doppler trong bồn tắm, hãy lấy một ống nhỏ, sử dụng một màng, được điều khiển bởi một bộ điện từ, dẫn các phần không khí vào bồn tắm đều đặn, đồng thời di chuyển qua bồn tắm với tốc độ nhất định. (Bạn có thể quan sát một số đoạn đường ray đồ chơi ở mép bồn tắm và lắp ống vào xe kéo đồ chơi). Khi ống di chuyển với tốc độ làm thay đổi tốc độ của sóng, các đỉnh phía trước nó xuất hiện thường xuyên hơn và phía sau chúng - hiếm hơn.

Hiệu ứng Doppler được quan sát thấy ở nhiều loại sóng khác nhau, bao gồm cả sóng vô tuyến. Có được tương đối ít thiết bị, có thể xác định cường độ và hướng tốc độ của vệ tinh bằng tín hiệu vô tuyến từ vệ tinh nhân tạo, có tính đến hiệu ứng Doppler.

Tất cả những thí nghiệm này chỉ là một vài trong số những điều có thể được thực hiện với một vài thiết bị trong bể tạo sóng. Bất cứ ai xây dựng và trang bị một bồn tắm như vậy sẽ tin chắc rằng sẽ có đủ những trải nghiệm thú vị cho hơn một ngày tồi tệ.