- •Сборник лабораторных работ по физике
- •Лисицын с.Г. Оконников е.Г. Синяпкина г.И. Предисловие
- •Методические указания
- •Содержание
- •Волновые процессы плоские волны
- •Волновое уравнение
- •Монохроматические волны
- •Стоячие волны
- •Описание установки для изучения волновых процессов
- •Приборы Генератор низкой частоты
- •Технические характеристики
- •Осциллограф
- •Работа № 1 волны на поверхности жидкости
- •Скорость поверхностных волн
- •Описание модуля
- •Порядок измерений.
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 2 стоячие волны в струне
- •Введение
- •Описание модуля «Колебания струны»
- •Порядок измерений
- •О писание модуля
- •Измерение скорости волны фазовым методом
- •Зависимость амплитуды от расстояния
- •Стоячие волны
- •Усиление звука
- •Резонансы в закрытой трубе
- •Резонансы в трубе с одним закрытым концом
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 5 стоячие волны в стержнях
- •Введение
- •Описание модуля «Стержни»
- •Порядок измерений
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 6 ультразвуковые волны в жидкости
- •Описание модуля «Ультразвук»
- •Ультразвуковой генератор
- •Ультразвуковые волны в жидкости
- •Стоячие волны
- •Дифракция света на ультразвуке
- •Контрольные вопросы
- •Изучение интерференции интенсивность волны
- •Интерференция монохроматических волн
- •Когерентность света
- •Временная когерентность
- •Пространственная когерентность
- •Работа № 7 определение длины световой волны с помощью бипризмы френеля
- •Введение
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы Задание 1. Определение ширины интерференционной полосы
- •Задание 2. Определение расстояния между мнимыми источниками
- •Задание 3. Определение длины световой волны
- •Задание 4. Определение радиуса когерентности
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 8 определение длины световой волны с помощью колец ньютона
- •Введение
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 9 определение чистоты хорошо обработанных поверхностей интерферометром линника
- •Введение
- •Порядок выполнения работы Задание 1 Определение глубины канавки на глаз.
- •Задание 2 Определение чистоты обработки поверхности
- •Контрольные вопросы
- •Работа №10 определение концентрации слабых растворов интерференционным методом
- •Введение
- •Оптическая схема прибора
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Приложение показатель преломления слабых растворов
- •Описание установки и порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Изучение дифракции света принцип гюйгенса — френеля Зоны Френеля
- •Зоны Шустера и спираль Корню
- •Дифракция на краю полуплоскости
- •Дифракция Фраунгофера на щели.
- •Работа № 12 изучение дифракции френеля
- •Дифракция френеля
- •Измерения.
- •Контрольные вопросы.
- •Работа № 13 изучение дифракции фраунгофера
- •Условия наблюдения дифракции фраунгофера
- •И змерения
- •Контрольные вопросы.
- •Работа №14 дифракционный метод определения размера частиц
- •Введение
- •Измерения
- •Лазер зажигается лаборантом или преподавателем!
- •Контрольные вопросы.
- •Работа № 15 исследование спектра дифракционной решетки
- •Введение
- •Измерения
- •Контрольные вопросы.
- •Работа №16 измерение угла брюстера
- •Введение
- •Описание прибора и метода измерения
- •Порядок выполнения работы
- •Введение
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 17 определение концентрации сахара в растворе по углу поворота плоскости поляризации
- •Описание метода и прибора
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 18 определение показателя преломления и средней дисперсии с помощью дисперсионного рефрактометра
- •Введение
- •Принцип действия и описание прибора
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 19 измерение светопропускаемости прозрачных тел с помощью фотометра
- •Введение
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
Волновые процессы плоские волны
y(x,t) = f(x vt) (1).
Верхнему знаку соответствует волна, распространяющаяся в отрицательном направлении оси OX, нижнему – в положительном.
Аргумент =x vt функции f () называется фазой волны. Постоянству возмущения y = f () соответствует постоянство фазы . Как видим, точки волны, соответствующие постоянной фазе, перемещаются вдоль оси OX со скоростью v. Поэтому скорость v называют фазовой скоростью волны.
Волновое уравнение
Для нахождения уравнения, которому удовлетворяет функция (1) дважды продифференцируем y по x и t:
,
,
(здесь f " - вторая производная функции f() по ее аргументу).
Умножая первое из этих равенств на v2, и вычитая его из второго, получим:
(2).
Уравнение (2) называется волновым уравнением. Оно возникает в различных задачах физики, например, описывает колебания струны, распространение звука в различных средах и т.п. (подробнее см., учебник И.Е. Иродова «Волновые процессы»).
Уравнение (2) своими решениями имеет функции вида (1). В силу линейности волнового уравнения, его общее решение можно записать как сумму функций (1):
y(x,t)=f1(x – vt) + f2(x + vt) (3).
Монохроматические волны
Вид функций f1 и f2 ничем не ограничен, т.е. волны могут быть любыми, но особую роль в физике играют так называемые монохроматические волны, в которых возмущения описываются гармоническими функциями:
f(x,t)=Acos(kx t) (4),
где константы А, и k имеют названия:
А - амплитуда волны, - ее частота, k - волновое число.
Если аргумент косинуса в (4) записать как k[x – (/k)t], то коэффициент перед t есть, очевидно, скорость монохроматической волны:
v = /k, или = kv.
Как видим из (4), возмущения в монохроматической волне периодичны как по координате при фиксированном времени, так и по времени при фиксированной координате. Минимальный промежуток времени Т, по прошествии которого возмущение в данной точке принимает прежнее значение, называется периодом волны T=2. Минимальное расстояние между двумя точками, в которых возмущение в один и тот же момент времени оказывается одинаковым, называется длиной волны k=2. Приравняв левые части этих равенств друг другу и приняв во внимание, что =kv, получим =vT. Полученный результат означает, что длина волны равна расстоянию, которое проходит волна за время равное одному периоду.
Выражение (4) можно записать в случае произвольного направления распространения волны следующим образом:
f(r,t)=Acos(kr t) (5),
где r–радиус-вектор, k–волновой вектор. Направление волнового вектора совпадает с направлением распространения волны, а модуль его равен волновому числу: k=2/.
Особую роль монохроматические волны играют потому, что всякую волну можно представить в виде совокупности монохроматических волн с различными частотами и волновыми числами. О таком представлении волны в виде совокупности монохроматических волн говорят как о спектральном разложении волны, т.е. спектр - это набор монохроматических волн, из которых состоит данная волна.
