آزمایش امواج سطحی (مولد موج بر سطح آب)
هدف آزمایش: بررسی انتشار و بازتاب امواج در سطح مایعات.
وسایل آزمايش: سيگنال ژنراتور جريان بالا ویژه مولد موج بر سطح آب، پرتوافكن مولد موج، موتور مولد موج و سیمهای رابط، مخزن مسطح شفاف با شاسی فلزی و پایههای قابل تنظیم، سطح استقرار دارای لرزهگیر، نوسانساز نقطهاي، نوسانساز دو نقطهاي، نوسانساز تيغهاي، بست s شکل (3عدد)، سه پایه رومیزی کوچک قابل تنظیم (2عدد)، ستون با قطر 12 و طول 800 میلیمتر (2عدد).
تئوری آزمایش
امواج عرضی دستهای از امواج هستند که در آنها راستای انتشار موج و ارتعاش آن بر یکدیگر عمود باشند. برای مثال میتوان از امواج منتشره درسطح مایعات و امواج الکترومغناطیس نام برد.
در امواج عرضی هر ذره عمود بر راستای انتشار اندکی حول مکان ایستای خود نوسان میکند، اگر راستای انتشار موج درراستای باشد ذرهای که در مکان قرار دارد در راستای بنابر رابطه زیر حرکت نوسانی انجام خواهد داد:
(1)
که دراین رابطه دامنه حرکت نوسانی و عدد موج و بسامد زاویهای موج انتشار یافته است.
البته فرض وجود ذراتی که تحت تاثیر موج انتشار یافته نوسان میکنند فقط برای امواج مکانیکی ضروری است. همانطور که میدانیم امواج الکترومغناطیس برای انتشار نیاز به محیط مادی ندارند بنابراین رابطه (1) را برای آنها باید به صورت وضعیت نوسانی خود موج در نقطه تعبیر کرد و نه نوسان یک ذره. امواجی که در سطح یک مایع (در اینجا آب) منتشر میشوند را می توان بوسیله یک جسم نوسانکننده که بر سطح آن ضربههای پیاپی میزنند تولید نمود. این سیستم می تواند یک دیاپازون و یا یک مولد موج و یا در این آزمایش یک نوسانگر باشد.
برای توضیح بیشتر در رابطه با امواج سطحی ناگزیر به تعریف جبهه موج هستیم. جبهه موج، مکان هندسی نقاطی است که وضعیت ارتعاشی کاملا یکسانی دارند. شکل هندسی جبهه موج ارتباط مستقیم با شکل چشمه مولد موج در محیط دارد. بنابر تقارنی که در مسئله انتشار موج وجود دارد، واضح است چنانچه نوسانساز یک نقطه نوسانکننده در محیط باشد، جبهه موج سطحی، دایره هایی هستند که مرکز آنها نقطه نوسانساز است و یا اگر نوسانساز یک صفحه باشد جبهه های موج سطحی خطوطی هستند که موازی با نوسان ساز می باشند.
روش آزمایش
در مخزن سیستم آزمایش مقداری آب بریزید و نوسانگر را در حالی که نوسانساز نقطهای را روی آن نصب کردهاید در وسط مخزن قرار دهید بگونهای که بر سطح آب مماس باشد. سپس پرتوافکن را بالای نوسانگر طوری نصب کنید که راستای مرکز آن و نوسانگر بر سطح آب کاملاً عمود باشد. پرتوافکن و مولد فرکانس را روشن کنید، باید بتوانید سایه های ناشی از انتشار امواج را برروی سطح سفید دستگاه به وضوح مشاهده نمایید. اگر سایهها واضح نیستند با تغییر بسامد و دامنه مولد فرکانس و تغییر مکان پرتوافکن آنها را واضح کنید.
نوسانساز نقطهای را با یک نوسانساز تیغهای تعویض کنید و آزمایش بالا را تکرار نمایید و جبهه های موج را مشاهده نمایید.
یک کاغذ را روی سطح سفید دستگاه گذاشته و سعی کنید جبهه های موج را رسم نمایید، سپس یک صفحه فلزی را برروی سطح آب قرار دهید بگونهای که راستای آن با تیغه نوسانساز زاویه 45 درجه بسازد.
آزمایش را تکرار کنید و این بار نیز جبهه های موج را رسم کنید.
شکل جبهه های موج نسبت به حالت قبل چه تغییری میکند؟ توضیح دهید.
این بار نوسانساز دونقطهای را بر روی نوسانگر قرار دهید و آزمایش را تکرار کنید. چه می بینید؟
اگر نقاطی که کاملا تاریک و یا روشن هستند دارای فاز یکسانی باشند، این نقاط را بر روی یک کاغذ رسم کرده و آنها را به یکدیگر متصل کنید، نقاط رسم شده تشکیل چه اشکالی را می دهند؟
رابطهای ریاضی پیدا کنید که مشخص کننده آن خطوط باشند.