Исследование волн на поверхности воды (К. Стонг)
( Переработанный вариант статьи, помещенной в октябрьском номере журнала «Scientific American» за 1962 год.)
С различными волнами мы встречаемся повсюду, начиная от гамма-лучей с очень маленькой длиной волны — до огромных волновых перемещений в облаках рассеянной между звездами мелкой пыли. Но так как все волны переносят энергию, то не удивительно, что их поведение во многом одинаково.
В однородной среде волны распространяются по прямым линиям с постоянной скоростью, изменяя направление и скорость в тех местах, где изменяются физические свойства среды. Если звуковая волна в атмосфере попадает на твердый объект, например, кирпичную стену, то часть ее отражается (эхо).
Изучение волн одного типа позволяет исследователю узнать, что можно ожидать от волн других типов.
Рис. 99
Волновую ванну можно сделать в домашних условиях (рис. 99). Основная ее часть состоит из деревянной рамки 6 со стеклянным дном. Толщина рамки около 5 см, площадь стеклянного дна ≈0,2 м 2 . Чтобы вода не протекала, дно следует прикрепить к раме мастикой или пластиком. Ванна устанавливается на четырех ножках на высоте около 0,5 м от пола. В качестве источника света для отбрасывания теней от ряби на экран 9, расположенный под стеклом, используется матовая лампа 5 мощностью 100 Вт. Лампу помещают в коробку из огнеупорного картона 2 и устанавливают в держателе 1 на высоте около полуметра над ванной на деревянной раме. В коробке нужно проделать отверстие 3, чтобы получить точечный источник света.
На двух кронштейнах 10 закрепляется деревянная перекладина 11. К этой перекладине на резинках подвешивается брусок, который и служит для возбуждения волн. На бруске укреплен микроэлектромотор — вибратор 4, скорость вращения которого можно изменять, (передвигая зажим вдоль стальной спирали 8. Расстояние между бруском и водой можно регулировать изменением положения металлических кронштейнов и укорачиванием или удлинением резиновых подвесов. Для опытов нам понадобится еще парафиновый отражатель 7, который можно поместить в разные точки ванны.
Рис. 100
В середине бруска (рис. 100) бельевой прищепкой 3 закрепляется полуторавольтовая батарея для игрушечного мотора. Жестким проводом, согнутым под прямым углом, к бруску прикреплены несколько бусинок 4 из стекла или пластика; расстояние между ними можно менять, если сделать в бруске отверстия через каждые 5 см. К валу мотора прикреплен винт длиной 2-3 см, выполняющий роль эксцентрического груза. Вал 1 проходит через отверстие, просверленное около головки винта, который жестко крепится гайкой; вторая гайка 2 находится в начале винта. Скорость мотора можно регулировать обычным реостатом, состоящим из тонкой стальной пружины и зажима типа «крокодил». Один конец пружины соединен с батареей, а зажим соединен с одним из выводов мотора. Необходимая скорость подбирается подключением вывода мотора к различным точкам пружины.
По внутреннему краю ванны (рис. 101) проложена мягкая алюминиевая сетка 7, загнутая под прямым углом по всей длине и покрытая одним слоем бинта 2. Такое сочетание бинта и сетки поглощает энергию набегающих волн. Таким образом предотвращается отражение от краев ванны, что могло бы служить помехой. На этом рисунке показано также, как к кронштейну 3 крепятся держатель источника света 4 и держатель бруска с моторчиком 5.
Рис. 101
Прибор выравнивают, заполняют ванну водой на глубину 2 см, включают лампу, подключают вывод мотора к стальной пружине и устанавливают высоту деревянного бруска так, чтобы один из стеклянных шариков касался воды. Вращение эксцентрического груза заставляет вибрировать прямоугольный кронштейн, а шарик — подниматься и опускаться в воде. Амплитуда волн регулируется изменением положения свободной гайки на крепежном винте. Длина волны, определяемая расстоянием между гребнями соседних волн, изменяется в зависимости от скорости мотора. Контрастность между светом и тенью волновой картинки, проектируемой на экран, регулируется поворотом лампы. Прибор должен иметь по крайней мере два шарика, т. е. два точечных источника волн. Для получения волн с прямыми фронтами (аналога плоских волн, распространяющихся в трехмерных средах) держатель шарика поворачивают вверх, а сам брусок опускают в воду.
Установите прибор так, чтобы он возбуждал плоские волны с расстоянием между гребнями около 5 см. Волны будут расходиться от источника к переднему краю ванны и там поглощаться. Установите лампу так, чтобы контрастность была максимальной. В ванне под углом 45° поставьте парафиновый барьер и посмотрите, как отражаются волны (рис. 102 вверху). В частности, можно убедиться, что угол 0 между направлением распространения волн от источника 1 и линией, перпендикулярной к барьеру 2, равен углу между направлением распространения отраженных волн и тем же перпендикуляром.
Рис. 102
Установите барьер под другим углом, меньшим чем 45°, и измените длину волн и амплитуду. Легко убедиться, что при любом расположении барьера угол падения равен углу отражения. Это — закон отражения для волн любого типа.
Замените парафиновый барьер стеклянной пластинкой шириной 15 см и длиной 30 см. Установите ее так? чтобы верхняя поверхность была на расстоянии 1 см от дна ванны. Наполните ванну водой так, чтобы расстояние от стекла до поверхности воды составляло 2-3 мм, и создайте источником 1 ряд плоских волн (рис. 102 внизу). Посмотрите, как замедляются волны при пересечении края стекла и переходе из области глубокой воды 2 в область мелкой воды 1. Из-за изменения скорости волны распространяются в новом направлении над стеклом так же, как шеренга солдат, которая сходит с сухопутного моста на грязную дорогу. В этом опыте волны отклоняются от первоначального направления за счет преломления — явления, наблюдаемого у волн всех типов, когда они попадают под углом из одной среды в другую, в которой распространяются с иной скоростью. Волны на воде отличаются тем, что меняют скорость распространения при изменении глубины среды. Приблизительно можно считать, что отношение скоростей распространения волн в мелкой и глубокой воде пропорционально отношению глубин воды. Это отношение в действительности не что иное, как показатель преломления на границе двух сред. Скорость распространения световых и звуковых волн изменяется в зависимости от плотности среды.
Отражение в месте перехода с глубокой воды на мелкую можно уменьшить, заточив край стекла (рис. 103).
Рис. 103
Энергию волн можно сфокусировать, рассеять или как-то распределить барьерами различной формы. Это делается параболическими рефлекторами в телескопах, прожекторах, радиолокаторах и даже раковинах оркестра. Фокусировку волн можно воспроизвести в волновой ванне. Сделайте барьер из парафина или резиновой трубки в форме параболы и направьте на него плоские волны. От любой точки барьера отраженные волны пойдут к одной и той же точке — фокусу параболы. Наоборот, круговая волна, возникающая в фокусе, отражаясь от параболического барьера, становится плоской (рис. 104 вверху). (В этом опыте волна создается каплей воды из пипетки, контуры которой видны на фотографии.)
Рис. 104
Интерференцию можно воспроизвести в волновой ванне, установив два шарика так, чтобы они касались воды на расстоянии 5 см друг от друга. На рис. 104 внизу приведена типичная картина интерференции волн, создаваемых двумя шариками. Максимум амплитуды возникает там, где совпадают гребни волн, а узлы — там, где гребни совпадают с впадинами. Легко вычислить углы, при которых возникают максимумы и узлы. Синус угла для максимума равен nλ/d, где n — номер максимума, центральный максимум, перпендикулярный линии, соединяющей источники, имеет «нулевой» номер, а радиальные максимумы, расположенные по обе стороны от центрального максимума, имеют последовательно номера «первый», «второй», «третий» и т. д., λ — длина волны и d — расстояние между источниками. Аналогично узлы лежат на луче, определяемом уравнением 
Здесь m — номер узла.
Рис. 105
Барьеры не обязательно должны быть сплошными. Решетка из равномерно расположенных штифтов также расположенных штифтов также отражает волны (рис. 105). Когда плоские волны последовательно наталкиваются на решетку, от каждого штифта расходятся круговые волны, которые интерферируют и снова образуют плоские волны. Направление, соответствующее наибольшей амплитуде этих волн, составляет с рядами, образующими решетку, угол θ, для которого sin θ = nλ/2d. sin θmax дает направление наибольшей амплитуды волн, n — целое число, λ — длина волны, d — расстояние между соседними рядами решетки (период решетки) (рис. 106). Это соотношение называют формулой Брэгга — Вульфа.
Рис. 106
С помощью волновой ванны можно исследовать эффект Доплера. Доплер обнаружил, что повышение тона свистка у быстро приближающегося поезда и смещение цвета движущейся к Земле звезды в сторону синей части спектра — явления одной природы. Оба явления обусловлены тем, что движущиеся источники волн могут догонять, а иногда и перегонять испускаемые ими волны. Чтобы продемонстрировать эффект Доплера в ванне, возьмите небольшую трубочку, которая с помощью мембраны, приводимой в действие соленоидом, направляет в ванну через равные промежутки времени порции воздуха, одновременно двигаясь по ванне с заданной скоростью. (Можно смонтировать у края ванны несколько участков игрушечной железной дороги и установить трубочку в игрушечном вагончике.) Когда трубочка перемещается со скоростью, меньшей скорости волн, гребни перед ней располагаются более часто, а позади — более редко.
Эффект Доплера наблюдается в различного рода волнах, в том числе радиоволнах. Пользуясь сравнительно несложной аппаратурой, можно по радиосигналам искусственного спутника, учитывая эффект Доплера, определить величину и направление скорости спутника. Все эти эксперименты — лишь немногое из того, что можно проделать с помощью несложных приспособлений в волновой ванне. Каждый, кто построит и оборудует такую ванну, убедится, что интересных опытов хватит не на один непогожий день.
Источник
Набор демонстрационный «Волновая ванна»
Характеристики
Описание
«Ванна волновая» демонстрационный набор предназначена для проведения демонстрационных экспериментов по теме «Механические колебания и волны»
Состав
1. Волновая ванна с встроенным экраном
2. Осветитель со стробоскопическим диском
3. Источник волн с комплектом насадок
4. Комплект препятствий
5. Методические указания
Набор не требует дополнительного оборудования.
Набор обеспечен методическими указаниями по использованию.
Предлагаемые опыты
1. Демонстрация круговых волн
2. Демонстрация плоских волн
3. Отражение плоской волны
4. Отражение круговой волны
5. Принцип Гюйгенса
6. Вторичные волны от плоской волны
7. Вторичный волны от концентрической волны
8. Интерференция двух круговых волн
9. Необходимое условие для интерференции
10. Интерференция в отраженной волне
11. Интерференция в плоской волне
12. Стоячие волны
13. Стоячая волна в уголковом отражателе
14. Дифракция волны на препятствии
15. Дифракция волны на щели
16. Дифракция на двух щелях
17. Определение длины волны
18. Определение скорости распространения волны
Источник
Выстраиваем защиту
От 23 700 рублей
Вы обращали внимание, что некоторые люди могут спокойно сидеть на сквозняке, гулять в мороз в легкой куртке, купаться в холодной реке, общаться с простуженными друзьями, и при этом – не заболевают? В то время как другие берегутся изо всех сил, носят в период эпидемий марлевые маски, кутаются в теплые свитеры и шерстяные носки, и всё равно не вылезают из простуд? С чем это связано? Все дело в иммунитете!
Наш иммунитет – это основной механизм защиты организма от вирусов и бактерий. Развитие иммунной системы в процессе эволюции и обусловило саму возможность существования человека. Иммунитет бывает врожденный и адаптивный (приобретенный).
Врожденный иммунитет — это способность организма распознавать и обезвреживать различные бактерии и вирусы по общим признакам. Как понятно из названия, это базовое свойство организма, которое он получает при рождении. Адаптивный иммунитет распознает более специфические, индивидуальные патогены, он формируется в процессе столкновения с ними, после болезней или прививок.
Признаки иммунного сбоя
- частые ОРЗ
- частые обострения хронический инфекционных заболеваний (тонзиллит, гайморит, бронхит, пиелонефрит, аднексит т. д.)
- частые рецидивы герпетических высыпаний
- гнойничковые поражения кожи
- боли в суставах и мышцах
- продолжительное повышение температуры или отсутствие температурной реакции при острых инфекционных заболеваниях
- увеличение лимфатических узлов
- плохое заживление ран
- злокачественные новообразования
- слабость
- синдром хронической усталости
Иммунная система формируется у человека еще в утробе матери, и немало зависит от наследственности. Но и весьма значительную роль в работе иммунитета играет образ жизни. И если с наследственностью мы сделать ничего не можем, то укрепить иммунитет, выполняя определенные правила, — в наших силах!
Как укрепить иммунитет?
Закаливание
Закаливание – это, по сути, тренировка иммунной системы. Главный принцип закаливания: умеренность, постепенность и регулярность.
Начните с малого: больше гуляйте, чаще проветривайте квартиру, ходите по дому босиком, обтирайтесь смоченными прохладной водой губкой или полотенцем, умывайтесь прохладной водой. Потом можно переходить к более серьезным процедурам: обливанию холодной водой, контрастному душу. Контрастный душ, кстати, очень полезен и для тренировки сердечно-сосудистой системы, улучшения состояния кожи, профилактики целлюлита. Только не забывайте про осторожность и постепенность! Если у вас уже есть проблемы с сердечно-сосудистой системой, предварительно проконсультируйтесь с вашим кардиологом.
Очень важна регулярность закаливающих процедур, отсутствие между ними больших перерывов.
Начинать закаливающие процедуры можно только, если вы полностью здоровы. В идеале – после консультации с врачом.
Питание
Для укрепления организма необходимо сбалансированное питание, богатое витаминами и микроэлементами. Для того чтобы вы получали все необходимые вещества и микроэлементы, питание должно быть максимально разнообразным. Ежедневно в рационе должны присутствовать все основные группы продуктов: молочные, крахмалистые, овощи, фрукты, источники сложных углеводов, белка и жиров. Сложные углеводы содержатся в крупах, макаронах, картофеле, хлебе с отрубями и в бездрожжевых хлебцах из цельного зерна. Они долго усваиваются, в отличие от простых углеводов, которые содержатся в сахаре, печенье, тортах и прочих сладостях. Также человеку необходимы неперевариваемые углеводы – клетчатка или пищевые волокна. Они создают ощущение сытости, и, кроме этого, полезны для пищеварения. Такие углеводы содержатся в овсянке, в хлебе из муки грубого помола.
Помимо этого нашему организму необходимы жиры, поскольку они помогают усваивать витамины А и Е. Если в организме недостаточное количество жиров, хуже выглядит кожа, страдает печень, перестают вырабатываться половые гормоны. Жиры бывают насыщенными и ненасыщенными. Последние лучше усваиваются, соответственно, они более полезны. Их хорошо получать из жирных сортов рыбы, авокадо, миндаля, оливкового масла. Разумеется, употребление продуктов, содержащих скрытые неполезные жиры, такие, как майонез, колбаса, торты, стоит ограничивать.
Источники белка – это рыба, мясо, молочные продукты, яйца, бобовые, орехи, грибы.
Ешьте как можно больше овощей и фруктов, желательно в термически необработанном виде для большей сохранности витаминов.
Витамины и пробиотики
Многочисленные исследования показывают, что в России, да и в других странах тоже, подавляющее большинство людей страдает от гиповитаминоза – нехватки витаминов. Как известно, витамины не образуются в организме человека, за исключением витамина D и витаминов, синтезируемых бактериями кишечника, поэтому должны постоянно присутствовать в составе пищи. Но даже при самом рациональном питании (а будем откровенны – у большинства из нас питание далеко не идеально сбалансированное) рацион человека сегодня «недоукомплектован» витаминами на 20–30%. Усвояемость витаминов из «искусственных» препаратов зачастую выше, чем из обычной еды.
Соответственно, необходимо регулярно принимать поливитаминные препараты. В период болезней, стрессов, депрессий, повышенной нагрузки, беременности, при курении и злоупотреблении алкоголем, приеме антибиотиков потребность в витаминах возрастает. Продолжительность приема поливитаминов определяется врачом, и обычно составляет 1–3 месяца, курс желательно повторять 2–4 раза в год. Витамины лучше усваиваются, если суточную дозу разделить на несколько приемов, основной прием препаратов лучше назначить на первую половину дня, так как вечером и ночью обмен веществ в организме замедляется. Поскольку человек всегда получал витамины из пищи, лучше принимать витаминные препараты во время еды, так они усваиваются полнее.
Помимо витаминов, для укрепления иммунной системы важны пробиотики. Пробиотики – это лекарственные препараты или биологически активные добавки к пище, которые содержат в составе живые микроорганизмы, являющиеся представителями нормальной микрофлоры человека. Они призваны восстановить нарушенный баланс микроорганизмов, населяющих различные слизистые человека, и поэтому применяются для лечения и профилактики иммунодефицита, дисбактериозов и связанных с ними заболеваний.
Пробиотики стимулируют иммунную систему на всех уровнях, что доказано многочисленными клиническими исследованиями. Пробиотики и витамины не стоит назначать себе самостоятельно, лучше, если это сделает врач.
Режим и физическая активность
Для нормальной работы всего организма и хорошего самочувствия человека очень важен режим.
Старайтесь вставать и ложиться в одно и то же время, высыпаться. Больше отдыхать, гулять на свежем воздухе. Необходимо заниматься спортом, делать зарядку.
Регулярная физическая активность благотворно влияет на иммунитет. Во время активной физической нагрузки повышается общий тонус организма, улучшается настроение, что способствует большей активности и приливу энергии, кровь обогащается кислородом, улучшаются сон и аппетит. Физические нагрузки помогают избавиться от стресса, в организме вырабатываются эндорфины («гормоны счастья»).
И обязательно гуляйте на свежем воздухе. Если позволяет погода, постарайтесь проводить на улице не менее часа в день. В идеале – в светлое время суток, ведь солнце необходимо не только для выработки витамина D, без солнечного света понижается уровень серотонина (еще одного «гормона счастья») в крови, который отвечает за наше хорошее настроение. Осенью и зимой проблема нехватки солнечного света особенно актуальна – мы встаем затемно, выходим с работы уже после захода солнца. Пользуйтесь любой возможностью поймать дневной свет: гуляйте во время обеденного перерыва, обязательно планируйте прогулки на выходных.
Отказ от вредных привычек
Вредные привычки – курение, алкоголь, злоупотребление лекарственными и наркотическими препаратами – очень сильно ослабляют иммунную систему организма, ухудшают функционирование многих органов, губят сосуды, мозг, легкие, повышают риск развития заболеваний. По сути, если вы постоянно себя травите курением, алкоголем и пр., сложно ожидать от организма хорошего состояния. Алкоголь и никотин угнетают иммунитет, в результате чего он перестает выполнять свои защитные функции. Кстати, ослаблять иммунитет могут и многие лекарственные препараты, поэтому, во-первых, не стоит бездумно принимать таблетки без назначения врача, во-вторых, если вы принимаете лекарства, усильте меры по укреплению иммунной системы.
Позитивный жизненный настрой
Между физической и эмоциональной составляющими у людей есть теснейшая взаимосвязь. Если человеку жизнь не приносит радость и удовольствие, то запускаются биологические механизмы самоуничтожения. Будьте позитивны, радуйтесь каждому дню — для этого всегда есть повод. Умение позитивно воспринимать любую действительность — это без преувеличения залог здоровья и долголетия.
Надеемся, что наши советы помогут вам стать более здоровыми, и предстоящий осеннее-зимний сезон принесет вам только радость, а не болезни!
Источник
