8.7. Kísérletek hullámkáddal
A kísérletek célja 
Hullámtulajdonságok szemléletes bemutatása.
Szükséges anyagok, eszközök
- Hullámkád stroboszkóppal
- Hullámkádba való hullámforrások, „akadályok”
- Víz, injekciós tű (a finom adagoláshoz)
a) Hullámok visszaverődése síkfelületről
Leírás
A hullámok útjába helyezzünk egyenes felülettel határolt akadályt. Figyeljük meg a vetített képen a visszaverődő hullámokat. A kísérletet végezzük el kör- és egyenes hullámokkal is! Megfigyelhetjük, hogy a hullámok szabályosan verődnek vissza, vagyis a beeső és visszavert hullámfrontok azonos szöget zárnak be az akadállyal, illetve a beesési merőlegessel. A megfigyelést nehezíti, hogy az akadályról visszaverődő, és az arrafelé haladó hullámok interferenciáját látjuk, ezt azzal védhetjük ki, ha egy plusz akadállyal eltakarjuk a bejövő hullámokat. Használhatunk más alakú akadályokat is: például a parabola alakú akadály a tengelyére merőleges egyenes hullámokat egy pontba gyűjti össze
Kísérlethez kapcsolódó kérdések
- Milyen hullámokat várunk, ha a pontszerű hullámforrást a parabola alakú akadály gyújtópontjába helyezi?
b) Körhullámok interferenciája
Leírás
Interferencia figyelhető meg, ha a találkozó két – vagy több – hullám koherens – azaz fáziskülönbségük időben állandó. Felületi hullámok esetében interferencia a hullámkádban legegyszerűbben úgy valósítható meg, ha a hullámok két, szinkronban rezgő forrásból származnak. Az ábrán főként a kioltási helyek megfigyelhetők meg – itt nincsenek hullámok, így árnyék sem. Ezek egy-egy hiperbola íven helyezkednek el, ahol a hullámok útkülönbsége a félhullámhossz páratlan számú többszörösei.
Kísérlethez kapcsolódó kérdések
- A frekvencia, vagy a források távolságának növelésével hogyan változik a kioltási vonalak közötti távolság?
c) Hullámok elhajlása résen
Leírás
Helyezzünk egyenes hullám útjába két akadályt, melyek közötti résen áthaladhat a hullám. Állítsuk be a rés szélességét először a hullámhossznál jóval nagyobbnak, majd a hullámhossznál kisebbnek. Széles rés esetén az akadályok mögött éles árnyéktér található. Szűk rés esetén az elhajlás szinte teljes, vagyis a hullám az akadály mögé teljesen behatol, ám amplitúdója erősen csökken.
Módszertani kiegészítések
- Elvileg, ha a rés szélessége a hullámhossz néhányszorosa, akkor a hullámok szélei „elgörbülnek”, és a hullám kissé behatol az akadály árnyékterébe, s az előző mérésben látható interferencia-mintázat alakul ki. Sajnos ezt ritkán sikerül meggyőzően megmutatni ezért érdemes a nagyon tág és nagyon szűk nyílás esetét bemutatni.
- A szűk nyílás esetén lehet bevezetni a Huygens- és Huygens–Fresnel-elvet. ami a diffrakciós kísérletek magyarázatának alapja.
d) Hullámok elhajlása kettős résen
Leírás
Helyezzünk egyenes hullám útjába három – két nagyobb és középen egy kicsiny – akadályt, melyek közötti réseken áthaladhat a hullám. Figyelje meg a rések mögött kialakuló mintázatot!
Kísérlethez kapcsolódó kérdések
- Melyik korábbi kísérletben kapunk hasonló mintázatot? Mi a hasonlóság magyarázata?
- Milyen mintázatot vár az akadályok mögött kialakulni, ha a bejövő hullámok nem egyenes, hanem kör hullámok?
Módszertani kiegészítések
- A kettős résen megfigyelhető interferencia az egyetlen, amit középiskolás szinten is meg lehet érteni, hiszen ebben az esetben csak két szinkronban működő pontforrás interferenciáját kell felírni. Ebben az esetben a maximális erősítési és kioltási pontokat is ki tudjuk számolni. A többi esetben (rés, rács, drót, stb) ugyanerre a gondolatmenetre vezetjük vissza a levezetéseket, pedig vegyük észre, hogy cseppet sem triviális, hogy egy dróton elhajló hullám képe lényegében úgy leírható, mint a két oldalán szinkronban működő pontforrások interferenciája.
- A hullámkád segítségével víz felszínén keltett – megközelítőleg – harmonikus transzverzális hullámokat tanulmányozhatunk. A beépített lámpa segítségével a hullámtér képe kivetíthető a függőleges ernyőre – vagy akár falra. A megvilágítás stroboszkóppal történik, melynek frekvenciát szabályozhatjuk, így a hullámok frekvenciájával történő megvilágítás esetén „megállítható” a kép. A vetített képen láthatók a hullámfrontok, melyek pontszerű hullámforrás esetén koncentrikus körök, egyenes hullámforrás esetén pedig párhuzamos egyenesek. A hullámfrontok távolsága a hullámhossz, ami a hullám frekvenciájától és a hullám adott közegbeli terjedési sebességétől függ (
). A terjedési sebességet a vízmélység állításával lehet szabályozni. Mélyebb vízben a terjedési sebesség nagyobb, s így a hullámhossz is nagyobb. - Érdemes a kísérlethez kapcsolódóan meglepő, szép és szemléletes videókat bemutatni. Valamint, ha az iskola nem rendelkezik működő hullámkáddal, érdemes az ezen hivatkozáson elérhető szimulációt használni.
Tweet