Задание(экспериментальное исследование), страница 95, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

В небольшом искусственном бассейне исследуйте поведение волны на поверхности воды, используя преграды различного размера на пути ее распространения. Свои наблюдения и выводы представьте в виде реферата, сопроводив рисунками.

Цель исследования:

Изучить явления, происходящие с волнами на поверхности воды при встрече с преградами различного размера, в частности, исследовать дифракцию и отражение волн.

Ответ: Целью является экспериментальное исследование поведения волн при взаимодействии с препятствиями.

Оборудование:

1. Небольшой бассейн или любой другой достаточно большой и неглубокий резервуар с водой (например, ванна или большой таз).

2. Источник плоских волн (например, длинная линейка или дощечка, которую можно ритмично опускать в воду).

3. Преграды различного размера: одна большая (ширина которой $d_1$ значительно больше длины волны $\lambda$) и одна маленькая (ширина которой $d_2$ сравнима с длиной волны $\lambda$). В качестве преград можно использовать деревянные бруски, кирпичи, пластиковые предметы.

Ответ: Для проведения эксперимента потребуются резервуар с водой, генератор волн и препятствия двух разных размеров.

Теоретическое введение:

Волны способны огибать препятствия. Это явление называется дифракцией. Степень проявления дифракции зависит от соотношения между длиной волны $\lambda$ и размером препятствия $d$.

1. Если размер препятствия значительно больше длины волны ($d \gg \lambda$), то волны практически не огибают его. За препятствием образуется область «волновой тени», куда волна не проникает. В этом случае преобладает явление отражения волн от преграды.

2. Если размер препятствия сопоставим с длиной волны ($d \approx \lambda$) или меньше ее ($d < \lambda$), то волны хорошо огибают препятствие. Область «волновой тени» практически не образуется, и волна распространяется за препятствием.

Ответ: Теоретической основой исследования является явление дифракции, интенсивность которого зависит от соотношения длины волны и размера препятствия.

Ход работы и наблюдения:

1. Наполняем бассейн водой.

2. С помощью линейки создаем на одном краю бассейна серию параллельных волн, идущих друг за другом через равные промежутки времени. Наблюдаем, как они распространяются по поверхности. Оцениваем на глаз длину волны $\lambda$ – расстояние между двумя соседними гребнями.

Эксперимент 1: Преграда большого размера ($d_1 \gg \lambda$)

3. Помещаем на пути волн большую преграду (например, кирпич). Ширина преграды $d_1$ должна быть заметно больше длины волны $\lambda$.

Наблюдение:

Волны, достигая преграды, отражаются от нее. За преградой образуется четкая область спокойной воды – «тень». Волны не могут «завернуть» за преграду и заполнить эту область. По краям преграды наблюдается лишь незначительное искажение формы волн.

Рисунок 1: Распространение волн при встрече с большой преградой.

(На рисунке следует изобразить параллельные волновые фронты, идущие слева направо. По центру расположена широкая преграда. Слева от преграды показаны отраженные волны, уходящие назад. Справа от преграды, прямо за ней, изображена область без волн – «тень». По бокам от преграды волны продолжают распространяться прямолинейно).

Эксперимент 2: Преграда малого размера ($d_2 \approx \lambda$)

4. Заменяем большую преграду на маленькую (например, небольшой брусок или карандаш, поставленный вертикально). Ее размер $d_2$ должен быть сопоставим с длиной волны $\lambda$.

Наблюдение:

Волны, достигая небольшой преграды, огибают ее с обеих сторон. Сразу за преградой волновые фронты смыкаются, и волна продолжает распространяться дальше. Четко выраженной «тени» не наблюдается, есть лишь небольшая область возмущения непосредственно за объектом.

Рисунок 2: Распространение волн при встрече с малой преградой.

(На рисунке следует изобразить параллельные волновые фронты, идущие слева направо. По центру расположен маленький объект. Волновые фронты изгибаются вокруг объекта и за ним снова становятся почти прямыми, распространяясь по всему пространству).

Ответ: Наблюдения показывают, что волны отражаются от больших препятствий, создавая тень, и огибают малые препятствия из-за дифракции.

Выводы:

На основе проведенных наблюдений можно сделать следующие выводы:

1. Поведение волны при встрече с преградой кардинально зависит от соотношения ее длины $\lambda$ и размера преграды $d$.

2. Когда преграда велика по сравнению с длиной волны ($d \gg \lambda$), наблюдается преимущественно отражение и образование «волновой тени». Дифракция выражена слабо. Это объясняет, почему мы не замечаем дифракцию света в повседневной жизни на крупных объектах – длина световой волны очень мала.

3. Когда размер преграды сопоставим с длиной волны ($d \approx \lambda$), волна огибает преграду. Это явление – дифракция – проявляется очень заметно. Именно благодаря дифракции звуковые волны (имеющие длину от десятков сантиметров до нескольких метров) могут огибать углы зданий, и мы слышим звук, даже не видя его источника.

Таким образом, эксперимент наглядно демонстрирует фундаментальное волновое свойство – дифракцию.

Ответ: Главный вывод состоит в том, что дифракция (способность волн огибать препятствия) становится значительной, когда размер препятствия сравним или меньше длины волны.