Лабораторная работа №4. Определение скорости распространения поверхностных волн
В работе на поверхности воды в волновой ванне (или широкой ёмкости) создают волны, измеряют линейкой длину волны λ и определяют частоту колебаний ν. Скорость распространения волн находят по формуле v = λ·ν и проверяют прямым измерением времени, за которое гребень проходит известное расстояние.
Цель работы. Экспериментально определить скорость распространения поверхностных волн на воде по длине волны и частоте, а также по пути и времени движения гребня.
Сделать ҚМЖ по этой темеЦели обучения
- 9.2.5.14экспериментально определять скорость распространения поверхностных волн
Оборудование
- волновая ванна (кювета) или широкая плоская ёмкость с водой
- источник волн: вибратор волновой ванны или палочка (карандаш), которой ритмично касаются воды
- линейка или измерительная лента
- секундомер
- метроном (или приложение-метроном) для ровного ритма, если нет вибратора
- лампа и белый лист бумаги (экран) для наблюдения гребней — при наличии
Ход работы
- 1
Налейте в ванну воду слоем 1–2 см и дайте поверхности успокоиться. Измерьте и запишите глубину воды.
- 2
Включите вибратор (или ритмично касайтесь воды палочкой под метроном), чтобы по воде пошли ровные волны.
- 3
Определите частоту: если у вибратора есть шкала, запишите её показание; если касаетесь воды сами, подсчитайте число касаний N за время t (например, за 20 с) и вычислите ν = N/t.
- 4
Положите линейку вдоль направления распространения волн и измерьте расстояние l между первым и последним из нескольких соседних гребней; подсчитайте число промежутков n между ними.
- 5
Вычислите длину волны λ = l/n и скорость v = λ·ν.
- 6
Для проверки создайте одиночную волну одним касанием и измерьте время t, за которое гребень проходит от места касания до стенки ванны на расстоянии s. Повторите 3 раза и вычислите v = s/t.
- 7
Измените частоту колебаний и повторите измерения. Отметьте, как меняются длина волны и скорость.
- 8
Сравните значения скорости, полученные двумя способами, и укажите причины расхождения.
Краткая теория
Волна — это распространение колебаний в пространстве. Когда по воде бежит волна, частицы воды колеблются около своих положений равновесия, а вдоль поверхности переносится энергия, но не вещество: лёгкий поплавок качается вверх-вниз, но не уплывает вместе с волной.
Длина волны λ — расстояние между двумя ближайшими гребнями (или впадинами). Период T — время одного полного колебания, частота ν = 1/T — число колебаний за 1 с, в СИ её измеряют в герцах (Гц). За один период волна проходит расстояние, равное длине волны, поэтому скорость её распространения v = λ/T = λ·ν.
Скорость волны можно найти и напрямую: v = s/t, где s — путь, пройденный выбранным гребнем, а t — время его движения. Если оба способа дают близкие значения, это подтверждает формулу v = λ·ν.
Скорость поверхностных волн зависит от свойств среды, в частности от глубины: на мелкой воде волны бегут медленнее. Если при той же глубине увеличить частоту источника, гребни располагаются ближе друг к другу — длина волны уменьшается. Чтобы найти λ точнее, измеряют расстояние l между несколькими гребнями и делят его на число промежутков n между ними: λ = l/n.
Виртуальный опыт
В виртуальной волновой ванне установите ползунками частоту и амплитуду, включите линейку и секундомер: линейкой измерьте расстояние между несколькими гребнями и найдите λ, секундомером — время нескольких колебаний и найдите ν = N/t. Вычислите v = λ·ν, затем измените частоту и проверьте, как меняется длина волны.
Симуляция к этой работе готовится. Пока откройте Лабораторию по предмету. Лаборатория по физике
Таблица измерений
Лабораторная работа №4 · Физика, 9 класс. Определение скорости распространения поверхностных волн
Фамилия, имя, класс: ____________________ Дата: __________
| № опыта | Расстояние l, м | Число промежутков n | Длина волны λ, м | Частота ν, Гц | Скорость v = λ·ν, м/с | Скорость v = s/t, м/с |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | ||||||
| 2 | ||||||
| 3 |
Расчёт и вывод
Длина волны: λ = l / n; частота: ν = N / t; скорость: v = λ·ν.
Например, если 4 промежутка между гребнями занимают l = 8,0 см, то λ = 2,0 см = 0,020 м; при частоте ν = 10 Гц скорость v = 0,020 · 10 = 0,20 м/с.
Проверка: если одиночный гребень прошёл s = 0,30 м за t = 1,5 с, то v = 0,30 / 1,5 = 0,20 м/с — значения совпадают.
Относительная погрешность: ε = Δλ/λ + Δν/ν. Например, при Δl = 0,2 см (тогда Δλ = 0,05 см) и Δν = 0,5 Гц: ε ≈ 0,025 + 0,05 = 0,075, то есть около 8 %.
Шаблон вывода: В ходе работы я определил(а) скорость распространения поверхностных волн на воде: по формуле v = λ·ν получилось … м/с, по пути и времени движения гребня — … м/с. При увеличении частоты длина волны …. Расхождение результатов объясняется ….
Контрольные вопросы
Что переносит волна?
Показать ответ
Энергию колебаний. Частицы воды только колеблются около положений равновесия и не перемещаются вместе с волной.
Что называют длиной волны?
Показать ответ
Расстояние между двумя ближайшими гребнями (впадинами), то есть путь, который волна проходит за один период.
Почему длину волны измеряют по нескольким гребням?
Показать ответ
Расстояние между соседними гребнями мало, и ошибка линейки сравнима с ним. Если измерить расстояние по нескольким гребням и разделить на число промежутков, относительная погрешность уменьшится.
Как изменится длина волны, если частоту источника увеличить, а глубина воды останется прежней?
Показать ответ
Длина волны уменьшится: гребни будут располагаться ближе друг к другу.
От чего зависит скорость поверхностных волн?
Показать ответ
От свойств среды, в частности от глубины воды: на мелководье волны распространяются медленнее.
Техника безопасности
- Не включайте вибратор и лампу мокрыми руками; следите, чтобы вода не попадала на провода и розетки.
- Ставьте ванну на устойчивый горизонтальный стол и переносите её только пустой.
- Сразу вытирайте пролитую воду, чтобы никто не поскользнулся.
- Не касайтесь нагретой лампы осветителя.
Учителю
ҚМЖ и СОР по теме этой работы ИИ собирает в кабинете Bilim Plus Ұстаз по кодам целей обучения. Симуляцию можно выдать классу или вывести на доску.
Вопросы
- Можно ли выполнить работу без оборудования?
- Да, опыт можно провести в виртуальной волновой ванне: те же измерения длины волны, частоты и скорости на экране. Засчитывать ли её в лабораторный журнал вместо реального опыта, решает учитель.
- Как записать вывод?
- Укажите скорость волн, найденную обоими способами, с единицами, сравните значения, опишите, как длина волны зависит от частоты, и назовите причины погрешности.
- Почему на экране под ванной видны светлые и тёмные полосы?
- Гребни волн действуют как собирающие линзы и собирают свет, а впадины его рассеивают. Поэтому гребни видны на экране светлыми полосами, а впадины — тёмными.