Handleiding Golfbak met generator

Transcriptie

1 Handleiding Golfbak met generator Het apparaat bestaat uit: 1 bak met 3 staven en vleugelbouten 1 spiegel 1 mat kunststof scherm 2 houders voor het scherm 1 trilmechanisme op brug 1 flesje met vloeibare zeep 4 kunststoflichamen 3 trilobjecten (lange strip, enkele punt, strip met verstelbare punten) 4 golfbrekers 1 halogeen lichtbron met stroboscopische regeling Montage en instellingen Monteer de drie staven zodanig dat de bak precies waterpas staat. De twee voorste staven eerst voorzien van de bevestiging voor het kunststof scherm (PVC ring met kartelbout). Plaats de spiegel diagonaal tussen de staven onder de bak. Zet het kunststof scherm hier verticaal voor. Monteer de stroboscopische regelbare halogeenlamp op een stevig apart statief van 100 cm hoog zodanig dat de kabels aan de achterkant zitten. Voor een optimale lichtopbrengst dient de golfbak in een niet te fel verlichte ruimte te worden opgesteld. Voor het beste resultaat is het van belang een goed evenwicht te bereiken tussen frequentie en amplitude. (Dus niet alle knoppen "vol" aanzetten.) Plaats de brug met trilmechanisme zover mogelijk achterop de bak en monteer een van de trilobjecten hierop dat deze net het water raakt. Verbind zowel de halogeenlamp als het trilmechanisme met de bijgeleverde generator en sluit een 12 Volt wisselspanning op de lamp aan. Doe 2-3 druppels zeepoplossing in een bekerglas met 600 ml water en giet deze rustig in de bak. Wrijf daarna de zijkanten in. Nadat de zeepbellen weg zijn kunt U met het uittesten beginnen. De generator regelt zowel de triller als de stroboscopische verlichting apart maar kent ook een synchroonstand waarbij de rechtse regelknop de snelheid van beiden tegelijk regelt. Lage frequentie - grote amplitude, hoge frequentie - kleine amplitude. Gebruik zonodig de amplituderegelaar voor de juiste uitslag. De trilobjecten dienen vetvrij te blijven. Bij gebruik van de lenzen kunt U met de spons eenvoudig het waterniveau regelen. Hoewel het gebruikelijk is om de proeven met water uit te voeren, kan een en ander natuurlijk ook worden gedaan met een andere vloeistof (bijv. olie). Mocht u de hierna beschreven proeven willen vastleggen op de fotogevoelige plaat, dan moet de flitser boven het wateroppervlak bevestigd worden op de plaats van de lichtbron. Om geen dubbele beelden te krijgen moet de trilfrequentie worden ingesteld op 60 trillingen per seconde. Dit kan worden vastgesteld door op de uitgang van de generator naar de verlichting een frequentiemeter aan te sluiten. Onderstaande proeven omvatten niet het gehele gebied van oppervlaktegolven.

2 Principe Om de eigenschappen van oppervlaktegolven te kunnen demonstreren, maken we gebruik van de golfbak. Dit is een ondiepe bak waarin een laagje water is gegoten. De bak heeft flauw hellende wanden om terugkaatsing van de golven zoveel mogelijk tegen te gaan. De bodem is doorzichtig om zodoende met een stroboscopische verlichting de bewegingen van het wateroppervlak te kunnen bekijken. Deze verlichting heeft tot doel om de snel op het wateroppervlak bewegende golfpatronen te kunnen "bevriezen". Een aan een trillinggever bevestigd verticaal stiftje trilt harmonisch op en neer. Met dit stiftje brengen we het wateroppervlak plaatselijk in trilling. We constateren een lopende golf die zich in alle richtingen van het wateroppervlak met een even grote snelheid voortbeweegt. We spreken hier van een lopende cirkelgolf. De golfdalen en bergen worden naarmate zij op grotere afstand van de trillingsbron komen, respectievelijk lager en ondieper. De trillingsenergie moet immers aan een steeds groter wordend aantal waterdeeltjes worden doorgegeven. De cirkels worden steeds groter, zodat er per waterdeeltje minder energie beschikbaar is. De cirkels welke ontstaan, iedere keer nadat de trillinggever het wateroppervlak raakt, noemen we golffront. Dit golffront dooft, naarmate het verder van de trillingsbron verwijderd is, langzaam uit. Een aantal proeven met de golfbak doen we met gebruikmaking van een vlak golffront. Dit doen we door in de trillinggever een horizontaal latje te monteren.

3 Proeven Proef 1: Het beginsel van Huygens Twee balkjes worden in de golfbak zodanig in elkaar verlengde gelegd, dat hiertussen een smalle opening is. Aan een kant wordt nu een vlakke golf opgewekt. Op het moment dat de opgewekte oppervlaktegolf de opening bereikt, begint de opening als een puntvormige trillingbron op te treden. In de loop van de tijd breidt een golf zich in alle richtingen langs het wateroppervlak uit. Dit is in overeenstemming met de stelling: elk punt van een golffront wordt zelf een trillingsbron van waaruit een lopende golf zich in alle richtingen gaat uitbreiden. Het golffront op een later tijdstip is dan de lijn die raakt aan alle golffronten op dat tijdstip. Deze stelling wordt het principe van Huygens genoemd Proef 2: Terugkaatsing en breking van oppervlaktegolven Leg op de bodem van de golfbak zodanig een balkje schuin of evenwijdig aan de trillinggever dat het oppervlak boven het water uitsteekt. Wek vervolgens een oppervlaktegolf op en het blijkt dat deze tegen het balkje wordt teruggekaatst. Als we gebruik maken van een vlakke golf dan is de teruggekaatste golf eveneens een vlakke golf. Maken we gebruik van een cirkelvormige golf dan zal de teruggekaatste golf eveneens een cirkelvorm vertonen. Dit bewijst dat uit het patroon van de invallende golf de loop van de teruggekaatste golf volgt. Bekijken we een enkel golffront dan sluit deze met de normaal (n) de hoek van inval in. Het bijbehorende teruggekaatste golffront sluit met deze normaal de hoek van terugkaatsing in Proef 3: Brekingsproeven met de golfbak In de golfbak leggen we een rechthoekige kunststof lens zo neer dat de er bovenstaande laag water erg "dun" is. Vervolgens wekken we in het diepe gedeelte een lopende vlakke golf op, waarvan het golffront evenwijdig staat op het grensvlak van het diepe en ondiepe gedeelte. We zien dat de vlakke golf zich in dezelfde richting blijft voortbewegen, waarbij in het ondiepe gedeelte de golfbergen dichter op elkaar komen te liggen. Bij de overgang van het diepe naar het ondiepe gedeelte wordt de golflengte kleiner. Dit wordt niet veroorzaakt door verandering van de frequentie (de trillinggever blijft nl. op dezelfde frequentie doorgaan) maar door verandering van de golfsnelheid. We herhalen deze proef nu met een driehoekige lens. Wederom verandert bij de overgang van het diepe gedeelte naar het ondiepe gedeelte de golflengte (verandering van golfsnelheid). Bovendien verandert de richting waarin de vlakke golf zich beweegt; er treedt breking op. Wel blijft de vlakke golf na breking vlak. Doordat de golf van richting verandert, verandert ook de loop van de golfstralen. De hoek van breking is kleiner als de hoek van inval. Er treedt breking naar de "normaal" op. Het blijkt dat de hoek van breking (r) en de hoek van inval (i) zich verhouden als sin i sin r = constante N Deze constante noemen we de brekingsindex Deze formule is bekend als de wet van Snellius. Hieruit mag worden geconcludeerd dat bij de breking van oppervlaktegolven en ruimtegolven de golfstralen de brekingswetten volgen

4 Proef 4 : Interferentieproeven met de golfbak Voor deze proef gebruiken we als trillinggever het staafje met daarop twee trillingsstiftjes. Deze trillingsstiftjes trillen gelijktijdig. Elk trillend stiftje wekt zijn eigen cirkelgolf op die zich zodanig langs het wateroppervlak uitbreidt dat vanaf een bepaald moment de cirkelgolven elkaar gaan overlappen. We zien dan een interferentiepatroon ontstaan. Opvallend zijn de strepen die op het wateroppervlak liggen. Het lijkt of reeksen waterdeeltjes voortdurend in rust zijn en niet trillen. Deze strepen noemen we knooplijnen. Tussen deze knooplijnen bevinden zich banen waar golfbergen en golfdalen elkaar opvolgen. In het midden van deze banen bevinden zich de buiklijnen (daar waar de waterdeeltjes het meest trillen). Deze zien er in de golfbak uit als donkere gedeeltes. Deze gedeeltes zijn als volgt te verklaren: als we naar zo'n snijpunt kijken kunnen we zien dat deze op hetzelfde moment deelneemt aan identieke trillingen. Beide trillingsstiftjes trillen nl. gelijktijdig. Ze zijn in fase: beide afstanden tot aan de trillinggever zijn gelijk. Bovenstaande houdt in dat deze trillingen elkaar maximaal versterken hetgeen we een buik noemen. De lichte gedeeltes in het oppervlak van de golfbak ontstaan omdat op dat punt beide trillingen in tegen fase zijn (andere afstand tot trillinggever) zodat deze elkaar maximaal verzwakken. Dit respectievelijk versterken en verzwakken noemen we interferentie. Brengen we het wateroppervlak in trilling door een groot aantal stiftjes, dan zien we dat door interferentie van de opgewekte cirkelgolven uiteindelijk een vrijwel vlakke golf ontstaat. Dit is te verklaren. Als we het aantal stiftjes voortdurend zouden laten toenemen dan ontstaat er op een gegeven moment een egaal balkje en bij de voorgaande experimenten hebben we kunnen zien dat dit een vlakke golf doet ontstaan. Proef 5: Buigingsproeven met de golfbak Leg twee balkjes zodanig in de golfbak dat het oppervlak boven het water uitsteekt en er tussen de twee balkjes een smalle spleet is. Wek hierna aan een kant van deze balkjes een vlakke golf op. Afhankelijk van de breedte van de spleet blijkt het volgende: als de spleet een golflengte breed is dan ontstaat er een lopende cirkelgolf met de spleet als middelpunt. Hierdoor komt het water achter de balkjes op den duur overal in beweging. Is de spleet een klein aantal golflengten breed, dan is de buiging minder. Het wateroppervlak komt om en om in beweging. Is de spleet echter een groot aantal golflengten breed, dan is er nauwelijks meer buiging waar te nemen. De beweging van het wateroppervlak wijkt nauwelijks meer af van de recht doorgaande vlakke watergolf. Bij een cirkelvormig golffront doet zich hetzelfde verschijnsel voor (opgewekt door de enkelvoudige trillinggever). Als we een hindernis welke net zo groot is als de golflengte (instelbaar d.m.v. de frequentie) in de golfbak plaatsen, blijkt dat de golf in staat is om de hindernis heen te buigen. Is de hindernis een klein aantal golflengten breed, dan is de buiging al een stuk minder. Achter deze hindernis blijft een groot stuk wateroppervlak in rust. Uit bovenstaande blijkt dat als oppervlaktegolven een spleet treffen waarvan de breedte hoogstens een golflengte is, dan treedt er volledige buiging op. Is deze spleet breder als een golflengte dan is de buiging zwakker naarmate de spleet breder is. Dit alles is te verklaren met het eerder genoemde principe van Huygens. Het was immers zo dat het golffront op een bepaald tijdsmoment werd gevormd door alle punten. Het is te zien dat het golffront op een gegeven moment achter de hindernis is doorgedrongen. Met andere woorden, er is sprake van buiging. Buiten de hiervoor beschreven buigings- en brekingsproeven met de golfbak, zijn er nog een aantal andere verschijnselen met behulp van deze golfbak zichtbaar te maken en te verklaren. Een voorbeeld hiervan is het effect van het vliegtuig dat door de geluidsbarrière gaat. Wat veroorzaakt de knal?

5 Als we de enkelvoudige trillinggever met de hand langzaam over het wateroppervlak bewegen zien we een groot aantal golffronten achter elkaar. Als we ons nu concentreren op een bepaald gedeelte van de golfbak (dit kan door hiernaar te kijken tussen de spleet van twee vellen papier), dan zien we een aantal golfbergen in elkaar verlengde. Deze overlappen elkaar zodat er interferentie optreedt. Dit interferentiepatroon noemen we een schokgolf. Op dit specifieke moment zien we geen een, maar een groot aantal golfbergen en dalen, welke in elkaar verlengde liggen. Dit alles gebeurt in een zeer kort tijdsbestek

6