Εγκάρσια και διαμήκη κύματα σε σπειροειδές ελατήριο. Μέτρηση της ταχύτητας διάδοσης παλμού.
ΣΤΟΧΟΙ
1) Να προσεγγίσετε πειραματικά την έννοια του εγκάρσιου και του διαμήκους κύματος.
2) Να υπολογίσετε την ταχύτητα διάδοσης της κυματικής διαταραχής και να καθορίσετε τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται.
ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ
Στα εγκάρσια κύματα τα σωματίδια του ελαστικού μέσου κινούνται κάθετα προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Έτσι σχηματίζονται όρη και κοιλάδες.
Στα διαμήκη κύματα τα σωματίδια του ελαστικού μέσου κινούνται παράλληλα προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Έτσι σχηματίζονται πυκνώματα και αραιώματα.
Η διαταραχή που προκαλείται σε μια περιοχή του ελαστικού μέσου και διαδίδεται μέσα σε αυτό ονομάζεται παλμός όταν είναι μικρής διάρκειας.
ΜΕΘΟΔΟΣ
Το σπειροειδές ελατήριο είναι ένα ιδιόμορφο ελαστικό μέσο για το οποίο μπορούμε να θεωρήσουμε ότι οι σπείρες του είναι τα σωματίδια που συνδέονται με ελαστικές δυνάμεις. Έτσι αν διαταραχθεί μια σπείρα του, η διαταραχή αυτή μεταδίδεται κατά μήκος του ελατήριου από τη μια σπείρα στην άλλη.
Αφού τεντωθεί ένα κατάλληλο ελατήριο, προξενούμε στο ένα άκρο του μια διαταραχή μικρής διάρκειας (παλμός). Ο παλμός αυτός διαδίδεται κατά μήκος του ελατήριου, ανακλάται στο άλλο άκρο του και επιστρέφει. Ακολουθεί ανάκλαση στο άκρο που είχε παραχθεί κ.ο.κ.
Με το χρονόμετρο θα μετρηθεί ο χρόνος που απαιτείται για ορισμένη διαδρομή του παλμού. Τέλος θα γίνουν δοκιμές με διαφορετικές επιμηκύνσεις του ελατήριου για να ελεγχθεί κατά πόσο η ταχύτητα διάδοσης του παλμού εξαρτάται ή όχι από το πόσο τεντωμένο είναι το ελατήριο.
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ
Θα χρησιμοποιηθεί σπειροειδές ελατήριο ειδικά κατασκευασμένο ώστε όταν τεντωθεί να αποκτά μεγάλο μήκος (π.χ. 7 m)
Όταν τεντώνετε ένα τέτοιο ελατήριο, μη το αφήσετε απότομα να μαζευτεί διότι μπορεί να σας χτυπήσει ή να κουλουριαστεί και να μπλεχτούν οι σπείρες του.
ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΑ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ
1) Σπειροειδές ελατήριο κυματισμών (ΤΑ 060)
2) Χρονόμετρο χειρός (ΓΕ 151)
3) Μετροταινία μήκους τουλάχιστον 5 m.
4) Χρωματισμένος σπάγκος (μήκους 10cm περίπου)
ΠΟΡΕΙΑ
1) Ένας μαθητής της ομάδας να κρατήσει 3-4 σπείρες του ενός άκρου του ελατήριου και ένας άλλος μαθητής 3-4 σπείρες του άλλου άκρου του ελατήριου.
Ακουμπήστε το ελατήριο στο δάπεδο και τεντώστε το σε μήκος 3m περίπου. Ένας άλλος μαθητής να δέσει το χρωματισμένο σπάγκο στο πάνω μέρος μιας σπείρας στο μέσο περίπου του ελατήριου.
2) Ο μαθητής που κρατάει ένα από τα άκρα του ελατήριου να τινάξει απότομα την παλάμη του προς τα δεξιά και να την επαναφέρει γρήγορα στο σημείο απ’ όπου ξεκίνησε. Παρατηρήστε ότι παράγεται ένας παλμός που ταξιδεύει κατά μήκος του ελατήριου (Σχήμα 2). Πως εξηγείται η μετάδοση του παλμού;
3) Ο προηγούμενος παλμός ανακλάται στο άλλο άκρο του ελατήριου, πάνω στο ακίνητο χέρι του μαθητή που κρατά αυτό το άκρο, και επιστρέφει. Επαναλάβατε 2 -3 φορές την ίδια εργασία για να εξασκηθείτε στη δημιουργία παλμού που μπορεί εύκολα να παρατηρηθεί. Να παρατηρείτε το ελατήριο κατά μήκος και όχι από τα πλάγια. Όλοι οι μαθητές της ομάδας πρέπει να δοκιμάσουν να δημιουργήσουν παλμούς.
4) Δημιουργήστε ένα παλμό όπως περιγράφηκε προηγουμένως. Αλλάζει το πλάτος του καθώς ταξιδεύει; Αλλάζει η ενέργεια του; (εξηγήστε)
5) Ο παλμός ταξιδεύει κατά τη διεύθυνση το τεντωμένου ελατήριου μεταξύ των δυο άκρων του. Ποια γωνία σχηματίζει η διεύθυνση διάδοσης του παλμού με τη διεύθυνση κίνησης της κάθε σπείρας; (παρατηρήστε πως κινείται ο σπάγκος που είναι δεμένος στη σπείρα)
Πως ονομάζεται το είδος αυτό του παλμού;
6) Στα διαμήκη κύματα δημιουργούνται πυκνώματα και αραιώματα καθώς τα διάφορα σημεία του ελαστικού μέσου ταλαντώνονται κατά τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος.
α)Σ’ ένα τεντωμένο ελατήριο που κρατιέται από τα άκρα του από δύο μαθητές, πως πρέπει να κινήσει το χέρι του ο ένας μαθητής για να δημιουργηθεί διαμήκης παλμός;
Η πλήρης εργαστηριακή άσκηση σε φύλλο εργασίας
