Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Стеклянный резервуар с водой, демонстрирующий основные свойства волн
Glass tank of water demonstrating the basic properties of waves
В физике, резервуар для ряби (или волновой резервуар) – это неглубокий стеклянный резервуар с водой, используемый для демонстрации основных свойств волн. Это специализированная форма волнового резервуара. Обычно резервуар освещается сверху, чтобы свет проходил сквозь воду. Некоторые небольшие резервуары для ряби устанавливаются на верхнюю часть проектора, то есть освещаются снизу. Рябь на воде отображается в виде теней на экране под резервуаром. Можно продемонстрировать все основные свойства волн, включая отражение, преломление, интерференцию и дифракцию. Рябь может создаваться с помощью куска дерева, подвешенного над резервуаром на эластичных лентах так, чтобы он слегка касался поверхности воды. К дереву прикреплен мотор с грузом, установленным не по центру оси вращения. При вращении оси мотор вибрирует, раскачивая дерево и генерируя рябь.
In physics, a ripple tank is a shallow glass tank of water used to demonstrate the basic properties of waves. It is a specialized form of a wave tank. The ripple tank is usually illuminated from above, so that the light shines through the water. Some small ripple tanks fit onto the top of an overhead projector, i. e. they are illuminated from below. The ripples on the water show up as shadows on the screen underneath the tank. All the basic properties of waves, including reflection, refraction, interference and diffraction, can be demonstrated. Ripples may be generated by a piece of wood that is suspended above the tank on elastic bands so that it is just touching the surface. Screwed to wood is a motor that has an off center weight attached to the axle. As the axle rotates the motor wobbles, shaking the wood and generating ripples.
Продемонстрирование свойств волны
Ряд волновых свойств можно продемонстрировать с помощью волнового резервуара. К ним относятся плоские волны, отражение, преломление, интерференция и дифракция.
A number of wave properties can be demonstrated with a ripple tank. These include plane waves, reflection, refraction, interference and diffraction.
Плоскостные волны
Когда рипплер опускают так, чтобы он едва касался поверхности воды, будут создаваться плоские волны.
When the rippler is lowered so that it just touches the surface of the water, plane waves will be produced.
Круглые волны
Когда рябь-генератор прикреплен к точечному сферическому шару и опущен так, чтобы он едва касался поверхности воды, образуются круговые волны.
When the rippler is attached with a point spherical ball and lowered so that it just touches the surface of the water, circular waves will be produced.
Демонстрация отражения и фокусировки зеркал
Помещая металлический стержень в резервуар и ударяя по деревянному стержню, можно послать импульс из трех или четырех волн к металлическому стержню. Волны отражаются от стержня. Если стержень расположен под углом к волновому фронту, то можно увидеть, что отраженные волны подчиняются закону отражения. Угол падения и угол отражения будут равны. Если использовать вогнутый параболический отражатель, плоская волна после отражения сойдется в одной точке. Эта точка является фокусом отражателя. Круговые волны можно получить, капнув одну каплю воды в резервуар с волнами. Если это сделать в фокусе "зеркала", то волны будут отражены обратно в плоскость.
By placing a metal bar in the tank and tapping the wooden bar a pulse of three or four ripples can be sent towards the metal bar. The ripples reflect from the bar. If the bar is placed at an angle to the wavefront the reflected waves can be seen to obey the law of reflection. The angle of incidence and angle of reflection will be the same. If a concave parabolic obstacle is used, a plane wave pulse will converge on a point after reflection. This point is the focal point of the mirror. Circular waves can be produced by dropping a single drop of water into the ripple tank. If this is done at the focal point of the "mirror" plane waves will be reflected back.
Преломление
Если в резервуар поместить стеклянный лист, глубина воды над ним будет меньше, чем в остальной части резервуара. Скорость волны в воде зависит от глубины, поэтому рябь замедляется, проходя над стеклом. Это приводит к уменьшению длины волны. Если граница между глубокой и мелкой водой расположена под углом к волновому фронту, волны преломятся. На приведенной выше диаграмме видно, как волны изгибаются к нормали. Нормаль показана пунктирной линией. Штриховая линия указывает направление, в котором волны двигались бы, если бы не встретили наклонный стеклянный лист. На практике демонстрация преломления с помощью волнового резервуара – довольно сложная задача. Стеклянный лист должен быть достаточно толстым, а слой воды над ним – как можно более мелким. Это максимизирует разницу глубин и, следовательно, разницу скоростей, что приводит к большему углу преломления. Если вода слишком мелкая, вязкое трение быстро затушит рябь. Стекло должно иметь гладкие края, чтобы минимизировать отражения от краев.
If a sheet of glass is placed in the tank, the depth of water in the tank will be shallower over the glass than elsewhere. The speed of a wave in water depends on the depth, so the ripples slow down as they pass over the glass. This causes the wavelength to decrease. If the junction between the deep and shallow water is at an angle to the wavefront, the waves will refract. In the diagram above, the waves can be seen to bend towards the normal. The normal is shown as a dotted line. The dashed line is the direction that the waves would travel if they had not met the angled piece of glass. In practice, showing refraction with a ripple tank is quite tricky to do. The sheet of glass needs to be quite thick, with the water over it as shallow as possible. This maximizes the depth difference and so causes a greater velocity difference and therefore greater angle. If the water is too shallow, viscous drag effects cause the ripples to disappear very quickly. The glass should have smooth edges to minimize reflections at the edge.
Дифракция
Если поместить небольшое препятствие на пути волн и использовать низкую частоту, то области тени не будет, поскольку волны огибают препятствие, как показано на рисунке справа. Более высокая частота может привести к появлению тени, как показано на рисунке справа. Если в резервуар поместить большое препятствие, то, скорее всего, будет наблюдаться теневая область. Если поместить в резервуар препятствие с узким зазором, волны распространятся почти полукругом. Однако, если зазор будет большим, дифракция будет значительно меньше. В данном контексте под "небольшим" подразумевается, что размер препятствия сопоставим с длиной волны.
If a small obstacle is placed in the path of the ripples, and a slow frequency is used, there is no shadow area as the ripples refract around it, as shown below on the right. A faster frequency may result in a shadow, as shown below on the right. If a large obstacle is placed in the tank, a shadow area will probably be observed. If an obstacle with a small gap is placed in the tank the ripples emerge in an almost semicircular pattern. If the gap is large however, the diffraction is much more limited. Small, in this context, means that the size of the obstacle is comparable to the wavelength of the ripples.
Дифракция от сетки
Можно также наблюдать явление, идентичное дифракции рентгеновских лучей от атомной кристаллической решетки, что демонстрирует принципы кристаллографии. Если опустить в воду решетку с препятствиями, расстояние между которыми приблизительно соответствует длине волны водяных волн, можно увидеть дифракцию от этой решетки. Под определенными углами между решеткой и набегающими волнами волны будут отражаться от решетки, а под другими – проходить сквозь нее. Аналогично, при изменении частоты (длины волны) волн, они будут попеременно проходить или отражаться, в зависимости от точного соотношения между расстоянием между препятствиями, ориентацией и длиной волны.
A phenomenon identical to the x ray diffraction of x rays from an atomic crystal lattice can also be seen, thus demonstrating the principles of crystallography. If one lowers a grid of obstacles into the water, with the spacing between the obstacles roughly corresponding to the wavelength of the water waves, one will see diffraction from the grid. At certain angles between the grid and the oncoming waves, the waves will appear to reflect off the grid; at other angles, the waves will pass through. Similarly, if the frequency (wavelength) of the waves is altered, the waves will also alternately pass through or be reflected, depending on the precise relationship between spacing, orientation and wavelength.
Вмешательство
Интерференция может возникать при использовании двух дипперов, прикрепленных к основной волновой планке. На диаграммах слева светлые области обозначают гребни волн, а черные – впадины. Обратите внимание на серые области: это зоны деструктивной интерференции, где волны от двух источников гасят друг друга. Справа – фотография интерференционной картины, полученной от двух точечных источников в круговом волновом резервуаре.
Interference can be produced by the use of two dippers that are attached to the main ripple bar. In the diagrams below on the left the light areas represent crests of waves, the black areas represent troughs. Notice the grey areas: they are areas of destructive interference where the waves from the two sources cancel one another out. To the right is a photograph of two point interference generated in a circular ripple tank.