Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии и методики демонстраций колебаний и волн различной природы. Учебно-методическое пособие
.pdf
Тема 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ
Цель лабораторной работы по данной теме — изучить устройство и
принцип действия волновой машины и волновой ванны, овладеть методикой демонстрации различных видов механических волн посредством волновой машины и их свойств с помощью волновой ванны. Изучение волновых процессов начинают с демонстрации образования и распространения
поперечных и продольных волн. Для этого рассматривают колебания связанных маятников. Здесь уместно напомнить учащимся, что частицы любого тела связаны между собой силами молекулярного сцепления, и на
основе этого сделать вывод, что колебания, возбужденные в одном месте
тела, должны распространяться по всему телу.
В демонстрации волновых процессов наибольшее распространение
получили волновая машина (конструкция Б. С. Зворыкина) и волновая ванна. Волновая машина позволяет продемонстрировать колебательные и волновые движения: колебание отдельной частицы и двух частиц с разными
фазами, образование поперечной волны, распространение поперечных и
продольных волн, стоячие волны. При этом можно изменять частоту и
амплитуду колебания, направление распространения волн, расположение
узлов и пучностей стоячей волны.
Очень удобны для изучения многих закономерностей волнового движения волны на поверхности воды, несмотря на то, что их нельзя отнести к
точно поперечным волнам. Для их демонстрации используют волновую
ванну. Прибор позволяет показать на экране образование, распространение, отражение, преломление, интерференцию и дифракцию волн.
В работе используется установка для изучения волновых явлений на
поверхности воды ФПВ-02, которая служит для проведения демонстрационного эксперимента, а также работ физического практикума с целью определения длины волны и фазовой скорости поверхностных волн, изучения интерференции волн от двух когерентных источников, дифракции волн
от щели, решетки и углового экрана. Действие установки основано на
освещении модулированным светом волновой картины на поверхности
воды. Частота прерывания светового потока совпадает с частотой колебаний вибратора, возбуждающего волны. Стоячая волновая картина проецируется на экран.
Установка состоит из диаскопа и измерительного устройства. Диаскоп
выполнен в виде штатива, основание которого служит экраном для зарисовки волновой картины. В верхней части диаскопа находится точечный
источник света, световой поток от которого модулируется обтюратором,
приводимым в движение электродвигателем. Вал двигателя через эксцентрик приводит в движение колеблющийся вибратор, наконечник которого
1110
возбуждает волны на поверхности воды. Вибратор прижимается к эксцентрику пружиной, натяжение которой можно регулировать в процессе работы с помощью винта, расположенного возле держателя наконечника
вибратора. Это необходимо для обеспечения работы системы во всем диапазоне частот и устранения механических резонансов системы, искажающих волновую картину. Частота модулированного светового потока, совпадающая с частотой волн, регулируется фотодатчиком и измеряется измерительным устройством.
Измерительное устройство состоит из контроллера с устройствами
управления и индикации, источника питания. Контроллер управляет работой двигателя диаскопа и измеряет частоту его вращения, значение которой индуцируется на жидкокристаллическом дисплее. На передней панели
размещены следующие органы управления: кнопка «ПУСК — СТОП» —
для пуска и остановки (путем повторного нажатия) двигателя; кнопки «ЧАСТОТА+» и «ЧАСТОТА—» — для изменения частоты вращения двигателя (частоты возбуждаемой волны). На задней стенке находятся разъем для
подключения диаскопа, клемма заземления, сетевой шнур с вилкой, сетевые предохранители и сетевой выключатель. В комплект установки входят
принадлежности для проведения опытов: наконечники конический, сферический, двойной, плоский, экран, экраны с щелью и двойной щелью,
дифракционная решетка.
Порядок работы с установкой:
1. Подключают сетевой шнур измерительного устройства к сети и включают установку выключателем «СЕТЬ», расположенным на задней панели. На жидкокристаллическом дисплее будет отображаться текущий режим работы установки «STOP» и нулевые показатели частоты возбуждения, одновременно включится осветительная лампа диаскопа. Прогревают
установку в течение 2—3 минут.
2. Кладут на основание штатива лист бумаги или миллиметровки и при
необходимости закрепляют ее с помощью зажимов, расположенных на
основании.
3. Наливают в ванну воду слоем 1—2 см и устанавливают наконечники, чтобы они касались воды. Следят, чтобы вода не попала на измери-
тельное устройство!
4. Включают двигатель, нажав кнопку «ПУСК—СТОП», при этом на
жидкокристаллическом дисплее должна помигать и погаснуть надпись
«START».
5. Кнопками «ЧАСТОТА+» и «ЧАСТОТА–» устанавливают необходимую частоту возбуждаемой волны (частоту электродвигателя). На жидкокристаллическом экране вместе со значением частоты некоторое время
будет отображаться текущий режим работы: «f+» — при нажатии на кноп-
ки «ЧАСТОТА+» и «f–» — при нажатии на кнопки «ЧАСТОТА–». Во время отображения режима работы измерительное устройство увеличивает
(уменьшает) частоту вращения двигателя приблизительно на 1 Гц, поэтому повторно нажимать на кнопки изменения частоты следует только после
того, как перестанет отображаться режим работы.
6. Проводят необходимые опыты, меняя наконечники при выключен-
ном электродвигателе.
7. Выключают электродвигатель, нажав кнопку «ПУСК—СТОП» (при
этом на жидкокристаллическом дисплее должна высветиться надпись
«STOP» и электродвигатель остановится), отключают питание установки
выключателем «СЕТЬ».
8. После проведения опытов и отключения устройства от сети сливают
воду из ванны с помощью шланга и протирают ее насухо хлопчатобумажной тканью.
Задание 1. Продемонстрируйте образование и распространение попе-
речных и продольных волн.
Оборудование: стержень с тремя математическими маятниками, вол-
новая машина, штатив универсальный.
Изучение волновых процессов начинают с демонстрации колебания
связанных маятников. Для этого к стойке штатива прикрепляют металлический стержень с тремя маятниками. Маятники уравнивают по длине и
связывают в середине тонким резиновым шнуром или нитью.
Крайний шарик отклоняют от положения равновесия в плоскости, перпендикулярной горизонтальному стержню, и отпускают. Благодаря связи
через некоторое время он раскачает второй шарик, а затем третий. Показывают, что скорость передачи колебания от одного маятника к другому
зависит от связи между маятниками. Демонстрируют поперечную и продольную, стоячую и бегущую волны с помощью волновой машины, показывают, что такое длина волны, амплитуда, фазовая скорость.
Задание 2. Продемонстрируйте волны на поверхности воды.
Оборудование: волновая ванна с принадлежностями.
Круговые волны на поверхности воды. К вибратору подсоединяют
насадку с одним шариком. Включают установку. Демонстрируют непрерывный ряд круговых волн. Полезно показать, что наблюдаемые волны
близки к поперечным. Для этого на поверхность воды бросают несколько
мелких кусочков бумаги или спичек. Тени на экране от этих предметов
остаются почти неподвижными: распространяющиеся волны не увлекают
их за собой, а заставляют совершать только вертикальные колебания.
1312
Линейные волны на поверхности воды. К вибратору вместо шарика
прикрепляют плоскую насадку, которую располагают параллельно поверхности воды. Наблюдают волны с прямолинейным фронтом. Изменяя частоту колебаний вибратора с помощью генератора, демонстрируют изменение длины волны.
Задание 3. Продемонстрируйте интерференцию волн.
Оборудование: то же, что и в предыдущем опыте.
К вибратору прикрепляют насадку с двумя шариками так, чтобы они
одновременно касались поверхности воды. Включают установку и получают непрерывный ряд круговых волн. Распространяясь, они накладываются друг на друга на всей поверхности воды и образуют устойчивую
картину интерференции. На экране хорошо заметен ряд направлений, по
которым распространяются волны. Эти области разделяются светлыми
«дорожками», где волнение воды значительно ослаблено (узлы).
Задание 4. Продемонстрируйте принцип Гюйгенса.
Оборудование: то же, что и в предыдущих опытах.
На дно ванны параллельно плоской насадке вибратора ставят плоскую
пластинку с раздвижной щелью. Включают установку. На экране наблюдают, как прямолинейные волны, пройдя через отверстие, распространяются за преградой не только в прежнем направлении, но и во все стороны.
Частицы воды, находящиеся в отверстии, как бы становятся новым центром колебания. Интенсивность круговых волн, распространяющихся за
преградой, максимальна в направлении первоначального распространения волн и постепенно уменьшается с увеличением угла отклонения.
Задание 5. Продемонстрируйте отражение волн.
Оборудование: то же, что и в предыдущих опытах.
От плоского зеркала. К вибратору прикрепляют плоскую насадку и
регулируют ее положение так, чтобы она всеми точками касалась воды.
Устанавливают плоское зеркало под углом 45° к вибратору. Приводят вибратор в движение и наблюдают за распространением и отражением волн.
Меняют плоский вибратор на вибратор для демонстрации круговых волн —
насадку с одним шариком и повторяют демонстрацию.
От сферического зеркала. В ванну помещают вогнутое зеркало и повторяют опыт. В этом случае на экране отчетливо видно, как волны, отразившись от зеркала, собираются в одну точку — главный фокус, а затем
опять расходятся. При этом фронт отраженных волн принимает форму
концентрических дуг.
Задание 6. Продемонстрируйте преломление волн.
Оборудование: волновая ванна с принадлежностями.
На дно ванны кладут стеклянную пластину в виде прямоугольной призмы. С обеих сторон призмы ставят плоские вертикальные экраны. В ванну
наливают столько воды, чтобы она покрывала призму слоем 2—3 мм. К
вибратору прикрепляют плоскую насадку и приводят в колебательное движение.
На экране наблюдают уменьшение длины волн над призмой и изменение их направления после прохождения через призму. Это объясняют тем,
что давление столба жидкости уменьшается и волны распространяются с
меньшей скоростью, чем в более глубоких местах.
Затем на место призмы кладут стеклянную пластинку в форме линзы.
Возбуждают вибратор и получают на экране картинку. Волны, пройдя над
линзой, собираются в одной точке (фокусе), а затем расходятся, имея круговой фронт. Данный опыт можно демонстрировать и с круговыми
волнами.
Задание 7. Продемонстрируйте дифракцию волн.
Оборудование: то же, что и в предыдущих опытах.
Дифракция волн на препятствиях различных размеров. На вибратор
надевают насадку с одним шариком, а на дно ванны ставят тело прямоугольной формы, размеры которого в 5—6 раз больше длины волны. Включают установку. На экране наблюдают распространение волн и тень, образующуюся позади препятствия. Вдоль границ тени замечают небольшую
зыбь, указывающую, что волны слегка огибают края препятствия.
Затем на дно ванны ставят тело, размеры которого в 2—3 раза больше
длины волны. Теперь волны еще больше заходят в область геометрической
тени, и ее контуры становятся размытыми. Заменяют тело таким, размеры
которого примерно одинаковы с длиной волны. Замечают, что в данном
случае образования тени практически не происходит: волны огибают препятствие и позади него распространяются так, как если бы препятствия не
было.
Дифракция волн на щелях различной ширины. На дно ванны ставят
плоский экран с раздвижной щелью. Если ширина щели велика по сравнению с длиной падающей волны, то явление дифракции выражено слабо.
По мере сужения щели все больше наблюдается загибание волн за края
экранов. И когда ширина щели становится сравнимой с длиной волны,
позади экранов получаются полукольцевые волны, расходящиеся во все
стороны из щели, как из центра. Полезно показать также дифракцию на
двух щелях. Позади экрана наблюдают одновременно два явления — дифракцию и интерференцию волн.
1514
Задание 8. Продемонстрируйте образование стоячих волн.
Оборудование: шнур резиновый диаметром до 1 см и длиной 4—5 м.
Стоячие волны легко получить, используя отражение волн на резиновом шнуре. Шнур берут за непривязанный конец, слегка натягивают поперек класса и приводят в равномерное колебание в вертикальной плоскости. Частоту колебаний и натяжение шнура подбирают практически так,
чтобы сначала на шнуре образовалась одна стоячая волна, затем две и,
наконец, три.
Контрольные вопросы и задания
1. Как показать учащимся, что при волновом движении не происходит
переноса вещества?
2. Продемонстрируйте явление интерференции механических волн на
поверхности воды, объясните наблюдаемое явление.
3. На чем основывается моделирование процесса преломления волн в
среде при использовании волновой ванны?
4. Покажите различные виды волн с помощью волновой машины и
объясните, в каких средах и при каких условиях они наблюдаются.
5. На основе демонстрационного опыта введите понятие стоячей меха-
нической волны и ее основные характеристики.
Тема 3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Цель лабораторной работы по данной теме — познакомиться с устройством комплекта приборов для изучения электромагнитных волн;
овладеть методикой демонстрации электромагнитных волн и их свойств.
Комплект приборов ПЭВ-1, разработанный Н. М. Шахмаевым, предназначен для экспериментального изучения свойств электромагнитных волн.
Умелое использование демонстрационных возможностей комплекта значительно облегчает переход от электромагнитных явлений к оптическим.
Поскольку сантиметровые волны в электромагнитном спектре расположены между радиоволнами и тепловым излучением, то учитель имеет
возможность более основательно и глубоко показать единую природу электромагнитных и оптических явлений. Сантиметровые волны широко применяются в самых различных областях науки и техники. С их помощью
осуществляются радиолокация, радиорелейная связь, исследуются строение веществ (радиоспектроскопия), явление сверхпроводимости, проводятся диагностика и лечение некоторых заболеваний, осуществляется автоматическое управление самолетом и т.п. В последние годы ведутся интен-
сивные исследования по применению сверхвысоких частот для решения
энергетических проблем, поэтому знакомство учащихся с приборами сантиметрового диапазона имеет большое научное и политехническое значение.
В комплект входят следующие приборы и принадлежности: генератор
сантиметровых волн с мультивибратором (=3 см) — 1 шт., приемник сантиметровых волн с рупорной антенной — 1 шт., приемник с дипольной
антенной — 1 шт., призма из диэлектрика прямоугольная — 1 шт., призма
из диэлектрика треугольная — 1 шт., поляризационные решетки — 2 шт.,
линза из диэлектрика — 1 шт., металлические пластины широкие — 2 шт.,
металлические пластины узкие — 2 шт., пластина из диэлектрика — 1 шт.,
диск металлический — 1 шт., держатели для пластин — 3 шт., подставки —
4 шт.
Генератор с мультивибратором (рис. 4) смонтирован на прямоугольном волноводе, к одному концу которого припаяна пирамидальная рупорная антенна, на другом конце хомутами закреплено шасси с двумя
октальными панельками. На панельках установлены клистрон типа К-19 и
радиолампа 6Н7С.
Длинная ножка клистрона через отверстия в панельке и волноводе проходит в волновод. На этом же шасси между клистроном
и радиолампой установлена пластмассовая
рамка, на которой смонтированы пять постоянных сопротивлений и три конденсатора. На шасси против рамки укреплено переменное сопротивление (потенциометр).
Для регулировки тональности сигнала
генератора ось потенциометра выведена за
пределы перфорированного кожуха, закрывающего генератор с мультивибратором. К
Рис. 4. Генератор
с мультивибратором
генератору присоединен экранированный
трехжильный шнур. Свободный конец шнура снабжен штепсельным разъемом (фишкой) для включения в панель выпрямителя ВУП-2. Волновод
закреплен хомутом на стойке, которая устанавливается в подставку.
Генератор с рупорной антенной может поворачиваться на стойке вокруг горизонтальной оси и фиксироваться под нужным углом пластмассовой головкой. В подставке стойка может поворачиваться вокруг вертикальной оси, а также перемещаться вертикально. Фиксация нужного положения производится зажимным винтом.
Приемник с рупорной антенной (см. рис. 5) смонтирован на прямоугольном волноводе. К одному концу волновода припаяна пирамидальная
1716
рупорная антенна, на другом конце установлена детекторная секция, внутри которой
вертикально расположен кремниевый детектор типа ДК-С7М.
Верхний резьбовой конец детектора закреплен в контактном винте секции, а нижний входит в гнездо, изолированное от волновода. Детектор имеет возможность вертикально перемещаться для подстройки приемника. К гнезду и угольнику, припаянно-
Рис. 5. Приемник с рупорной
антенной
му к волноводу, подведен экранированный
одножильный шнур. Свободный конец шнура снабжен двумя наконечниками для под-
ключения к входным клеммам усилителя низкой частоты. Конец волновода закрыт согласующей пробкой (металлический поршень), закрепленной
сверху винтом.
Настройка приемника с помощью согласующей пробки произведена
заводом-изготовителем. Волновод закреплен хомутом к стойке, которая
устанавливается в подставку. Приемник с рупорной антенной, аналогично
генератору с рупорной антенной, может поворачиваться на стойке вокруг
горизонтальной оси и фиксироваться под нужным углом. В подставке стойка
может поворачиваться вокруг вертикальной оси и вертикально перемещаться. Фиксация производится зажимным винтом.
Приемник с дипольной антенной (рис. 6) смонтирован на пластмассовом держателе, на котором горизонтально укреплен кремниевый детектор
типа ДК-С7М. Ненарезанный конец детектора расположен в гладком отверстии держателя. Резьбовой конец детектора закреплен
в стопорном винте, который завернут в резьбовое отверстие держателя.
К приемнику прикреплены два лепестка, к которым припаян одножильный экранированный шнур. Свободный конец шнура снабжен двумя наконечниками для подключения к входным клеммам усилителя
низкой частоты. Держатель закреплен на
резьбе стержня и устанавливается в подставку. Фиксация на нужной высоте производится зажимным винтом.
Рис. 6. Приемник с
дипольной антенной
Призмы прямоугольная и треугольная
(см. рис. 7) имеют пластмассовые корпусы,
внутренние полости которых залиты парафином. Дно съемное и крепится
к корпусу винтами. В средней части дна на резьбе закреплен стержень для
установки призмы в подставку.
Рис. 9. Линза из
диэлектрика
Рис. 7. Призмы прямоуголь-
ная и треугольная
Рис. 8. Поляризационные
решетки
Поляризационная решетка (рис. 8) представляет собой пластмассовое
кольцо с параллельными металлическими стержнями. Кольцо закреплено
между двумя металлическими скобами и имеет возможность свободно
поворачиваться на 360° вокруг своей горизонтальной оси. В скобе гайкой
закреплен стержень для зажима решетки в подставке.
Линза из диэлектрика (см. рис. 9) изготовлена из пластмассы и имеет
плосковыпуклую форму. В край линзы вмонтирован на резьбе стержень
для установки в подставке. Металлическая и диэлектрическая пластины
прямоугольной формы (рис. 10) крепятся в малые держатели. Пластина
металлическая изготовлена из алюминия, а диэлектрическая — из текстолита.
Рис. 10. Металлическая и
диэлектрическая пластины
Рис. 11. Экран с двумя
отверстиями, собранный
в большом держателе
Рис. 12. Экран с тремя
отверстиями, собранный
в большом держателе
Большой держатель с зажимом (рис. 11—12) служит для сборки экрана с одним, двумя и тремя отверстиями. Диск металлический представляет
1918
собой плоский алюминиевый круг, закрепленный на стержне двумя винтами. Диск со стержнем устанавливается в подставке.
Для работы с данным комплектом необходимо иметь выпрямитель
универсальный полупроводниковый ВУП-2, усилитель низкой частоты,
громкоговоритель электродинамический, гальванометр демонстрационный, зеркало металлическое вогнутое (Пикте), штатив универсальный. Перед началом демонстрации опытов необходимо осуществить сборку схемы в следующем порядке:
1. Установить на демонстрационном столе генератор и приемник с
рупорной антенной в подставках на одну высоту, рупорами друг против
друга, на расстоянии не более 3 м (рис. 13).
Рис. 13. Схема демонстрации электромагнитных волн
2. Вставить штепсельный разъем экранированного шнура генератора
в панельку универсального выпрямителя ВУП-2, установленного рядом с
генератором. Выпрямитель в сеть до сборки схемы не включать!
3. Подключить наконечники шнура приемника с рупорной антенной
к усилителю низкой частоты (УНЧ), установленному с правой стороны
приемника.
4. Подключить к УНЧ громкоговоритель электродинамический, установленный рядом с УНЧ.
5. Убедившись в правильности сборки всей схемы, включить выпрямитель и УНЧ в сеть.
Через 2—3 минуты после прогрева ламп должен появиться сигнал генератора. Изменение тональности сигнала производится настройкой генератора, после чего можно приступать к демонстрации опытов.
Внимание! Для безопасности демонстрации не следует:
• включать выпрямитель в сеть при несобранной схеме;
• производить настройку генератора и приемника с помощью согласующих пробок, установленных в волноводах, а также резонатором клистрона;
• производить сборку схемы, узлов, а также смену ламп под напряжением;
• снимать кожух генератора во время его работы;
• хранить комплект в сыром, неотапливаемом помещении.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]