()
З різними хвилями ми зустрічаємося всюди, починаючи від гамма-променів з дуже маленькою довжиною хвилі - до величезних хвильових переміщень в хмарах розсіяною між зірками дрібного пилу. Але так як всі хвилі переносять енергію, то не дивно, що їх поведінка багато в чому однаково.
В однорідному середовищі хвилі поширюються по прямих лініях з постійною швидкістю, змінюючи напрямок і швидкість в тих місцях, де змінюються фізичні властивості середовища. Якщо звукова хвиля в атмосфері потрапляє на твердий об'єкт, наприклад, цегляну стіну, то частина її відбивається (відлуння).
Вивчення хвиль одного типу дозволяє досліднику дізнатися, що можна очікувати від хвиль інших типів.
Хвильову ванну можна зробити в домашніх умовах (рис. 99). Основна її частина складається з дерев'яної рамки 6 зі скляним дном. Товщина рамки близько 5 см, площа скляної дна ≈0,2 м2. Щоб вода не протікала, дно слід прикріпити до рами мастикою або пластиком. Ванна встановлюється на чотирьох ніжках на висоті близько 0,5 м від підлоги. Як джерело світла для відкидання тіней від ряби на екран 9, розташований під склом, використовується матова лампа 5 потужністю 100 Вт. Лампу поміщають в коробку з вогнетривкого картону 2 і встановлюють в тримачі 1 на висоті близько півметра над ванною на дерев'яній рамі. У коробці потрібно зробити отвір 3, щоб отримати точкове джерело світла.
На двох кронштейнах 10 закріплюється дерев'яна поперечина 11. До цієї перекладині на гумках підвішується брусок, який і служить для збудження хвиль. На бруску укріплений мікроелектромотор - вібратор 4, швидкість обертання якого можна змінювати, (пересуваючи затиск уздовж сталевої спіралі 8. Відстань між бруском і водою можна регулювати зміною положення металевих кронштейнів і укорочуванням або подовженням гумових підвісів. Для дослідів нам знадобиться ще парафіновий відбивач 7, який можна помістити в різні точки ванни.
В середині бруска (рис. 100) білизняний прищіпкою 3 закріплюється полуторавольтовимі батарея для іграшкового мотора. Жорстким проводом, зігнутим під прямим кутом, до бруска прикріплені кілька бусинок 4 зі скла або пластику; відстань між ними можна міняти, якщо зробити в бруску отвори через кожні 5 см. До валу двигуна прикріплений гвинт довжиною 2-3 см, що виконує роль ексцентричного вантажу. Вал 1 проходить через отвір, просвердлений близько головки гвинта, який жорстко кріпиться гайкою; друга гайка 2 знаходиться на початку гвинта. Швидкість мотора можна регулювати звичайним реостатом, що складається з тонкої сталевої пружини і затиску типу "крокодил". Один кінець пружини з'єднаний з батареєю, а затиск з'єднаний з одним з висновків мотора. Необхідна швидкість підбирається підключенням виведення мотора до різних точок пружини.
По внутрішньому краю ванни (рис. 101) прокладена м'яка алюмінієва сітка 7, загнута під прямим кутом по всій довжині і покрита одним шаром бинта 2. Таке поєднання бинта і сітки поглинає енергію хвиль, що набігають. Таким чином запобігає відображення від країв ванни, що могло б служити перешкодою. На цьому малюнку показано також, як до кронштейну 3 кріпляться держатель джерела світла 4 і утримувач бруска з моторчиком 5.
Прилад вирівнюють, заповнюють ванну водою на глибину 2 см, включають лампу, підключають висновок мотора до сталевій пружині і встановлюють висоту дерев'яного бруска так, щоб один зі скляних кульок стосувався води. Обертання ексцентричного вантажу змушує вібрувати прямокутний кронштейн, а кулька - підніматися і опускатися в воді. Амплітуда хвиль регулюється зміною положення вільної гайки на кріпильному гвинті. Довжина хвилі, яка визначається відстанню між гребенями сусідніх хвиль, змінюється в залежності від швидкості мотора. Контрастність між світлом і тінню хвильової картинки, проектованої на екран, регулюється поворотом лампи. Прилад повинен мати принаймні два кульки, т. Е. Два точкових джерела хвиль. Для отримання хвиль з прямими фронтами (аналога плоских хвиль, що поширюються в тривимірних середовищах) держатель кульки повертають вгору, а сам брусок опускають у воду.
Встановіть прилад так, щоб він порушував плоскі хвилі з відстанню між гребенями близько 5 см. Хвилі будуть розходитися від джерела до переднього краю ванни і там поглинатися. Встановіть лампу так, щоб контрастність була максимальною. У ванні під кутом 45 ° поставте парафіновий бар'єр і подивіться, як відображаються хвилі (рис. 102 вгорі). Зокрема, можна переконатися, що кут 0 між напрямком поширення хвиль від джерела 1 і лінією, перпендикулярної до бар'єра 2, дорівнює куту між напрямком поширення відбитих хвиль і тим же перпендикуляром.
Встановіть бар'єр під іншим кутом, меншим ніж 45 °, і змініть довжину хвиль і амплітуду. Легко переконатися, що при будь-якому розташуванні бар'єру кут падіння дорівнює куту відбиття. Це - закон відображення для хвиль будь-якого типу.
Замініть парафіновий бар'єр скляною пластинкою шириною 15 см і довжиною 30 см. Встановіть її так? щоб верхня поверхня була на відстані 1 см від дна ванни. Наповніть ванну водою так, щоб відстань від скла до поверхні води становила 2-3 мм, і створіть джерелом 1 ряд плоских хвиль (рис. 102 внизу). Подивіться, як сповільнюються хвилі при перетині краю скла і переході з області глибокої води 2 в область дрібної води 1. Через зміни швидкості хвилі поширюються в новому напрямку над склом так само, як шеренга солдатів, яка сходить з сухопутного моста на брудну дорогу. У цьому досвіді хвилі відхиляються від первісного напрямку за рахунок заломлення - явища, що спостерігається у хвиль всіх типів, коли вони потрапляють під кутом з одного середовища в іншу, в якій поширюються з іншою швидкістю. Хвилі на воді відрізняються тим, що змінюють швидкість поширення при зміні глибини середовища. Приблизно можна вважати, що відношення швидкостей поширення хвиль в дрібній і глибокої воді пропорційно відношенню глибин води. Це відношення в дійсності не що інше, як показник заломлення на межі двох середовищ. Швидкість поширення світлових і звукових хвиль змінюється в залежності від щільності середовища.
Відображення в місці переходу з глибокої води на дрібну можна зменшити, заточивши край скла (рис. 103).
Енергію хвиль можна сфокусувати, розсіяти або якось розподілити бар'єрами різної форми. Це робиться параболічними рефлекторами в телескопах, прожекторах, радіолокаторах і навіть раковинах оркестру. Фокусування хвиль можна відтворити в хвильової ванні. Зробіть бар'єр з парафіну або гумової трубки в формі параболи і направте на нього плоскі хвилі. Від будь-якої точки бар'єру відбиті хвилі підуть до однієї і тієї ж точки - фокусу параболи. Навпаки, кругова хвиля, що виникає в фокусі, відбиваючись від параболічного бар'єру, стає плоскою (рис. 104 вгорі). (В цьому досвіді хвиля створюється краплею води з піпетки, контури якої видно на фотографії.)
Інтерференцію можна відтворити в хвильової ванні, встановивши два кульки так, щоб вони стосувалися води на відстані 5 см один від одного. На рис. 104 внизу наведена типова картина інтерференції хвиль, створюваних двома кульками. Максимум амплітуди виникає там, де збігаються гребені хвиль, а вузли - там, де гребені збігаються з западинами. Легко обчислити кути, при яких виникають максимуми і вузли. Синус кута для максимуму дорівнює nλ / d, де n - номер максимуму, центральний максимум, перпендикулярний лінії, що з'єднує джерела, має "нульовий" номер, а радіальні максимуми, розташовані по обидва боки від центрального максимуму, мають послідовно номера "перший", " другий "," третій "і т. д., λ - довжина хвилі і d - відстань між джерелами. Аналогічно вузли лежать на промені, що визначається рівнянням 
Тут m - номер вузла.
Бар'єри не обов'язково повинні бути суцільними. Решітка з рівномірно розташованих штифтів також розташованих штифтів також відображає хвилі (рис. 105). Коли плоскі хвилі послідовно наштовхуються на решітку, від кожного штифта розходяться кругові хвилі, які інтерферують і знову утворюють плоскі хвилі. Напрямок, що відповідає найбільшій амплітуді цих хвиль, становить з рядами, які утворюють решітку, кут θ, для якого sin θ = nλ / 2d. sin θmax дає напрямок максимальної амплітуди хвиль, n - ціле число, λ - довжина хвилі, d - відстань між сусідніми рядами ґрат (період решітки) (рис. 106). Це співвідношення називають формулою Брегга - Вульфа.
За допомогою хвильової ванни можна досліджувати ефект Доплера. Доплер виявив, що підвищення тону свистка у швидко поїзда, що наближається і зміщення кольору рухається до Землі зірки в сторону синьої частини спектра - явища однієї природи. Обидва явища обумовлені тим, що рухаються джерела хвиль можуть наздоганяти, а іноді і переганяти випускаються ними хвилі. Щоб продемонструвати ефект Доплера в ванні, візьміть невелику трубочку, яка за допомогою мембрани, що приводиться в дію соленоидом, направляє в ванну через рівні проміжки часу порції повітря, одночасно рухаючись по ванні із заданою швидкістю. (Можна змонтувати у краю ванни кілька ділянок іграшкової залізниці і встановити трубочку в іграшковому вагончику.) Коли трубочка переміщається зі швидкістю, меншою швидкості хвиль, гребені перед нею розташовуються більш часто, а позаду - більш рідко.
Ефект Доплера спостерігається в різного роду хвилях, в тому числі радіохвилях. Користуючись порівняно нескладної апаратурою, можна за радіосигналами штучного супутника, враховуючи ефект Доплера, визначити величину і напрям швидкості супутника. Всі ці експерименти - лише небагато з того, що можна зробити за допомогою нескладних пристосувань в хвильової ванні. Кожен, хто побудує і обладнає таку ванну, переконається, що цікавих дослідів вистачить не на один непогожий день.
Встановіть її так?