Pracownia: fale, dźwięk, polaryzacja i widma

Potrzebne wiadomości: Fala, częstotliwość, interferencja i widmo światła.

Woda i dźwięk

Na płytkiej tacy z wodą twórz łagodne impulsy, potem fale powtarzalne. Porównaj przejście przez szeroką i wąską szczelinę oraz nakładanie fal z dwóch zgodnie pobudzanych miejsc. Zabezpiecz elektronikę przed wodą. Śledź pływający znacznik: fala przenosi zaburzenie, a nie cały płyn stale razem z grzbietem.

Dźwięki wytwarzaj cicho, krótkimi seriami, bez słuchawek przy wysokim poziomie. Mikrofon i program rejestrujący pozwalają porównać okres sygnału oraz widmo. Zmiana częstotliwości wpływa na wysokość dźwięku; amplituda i składowe wpływają na inne cechy. Mikrofon telefonu może nie rejestrować ultradźwięków, więc brak sygnału nie dowodzi braku fali.

Na wykresie trzeba liczyć odstępy

Pięć pełnych cykli zajmujących 10 ms oznacza T=2 ms oraz f=500 Hz. Pięć widocznych maksimów wyznacza jednak tylko cztery odstępy między pierwszym a ostatnim. Zaznacz na wykresie równoważne fazy początku i końca pomiaru; samo policzenie wierzchołków bywa źródłem systematycznej pomyłki.

Mikrofon może pokazywać złożony przebieg, nie sinusoidę. Szukaj powtarzalności całego kształtu, a nie najmniejszej przerwy między drobnymi szczytami. Zwiększenie wysokości sygnału opisuje zmianę amplitudy rejestrowanego przebiegu, nie automatycznie zmianę częstotliwości.

Światło

Dwa polaryzatory przed zwykłą lampą lub zgodnym z nimi ekranem obracaj względem siebie. Obserwuj wygaszanie i rozjaśnianie; pełne minimum zależy od jakości filtrów i światła tła. Cienka bańka lub błonka mydlana w bezpiecznym uchwycie pozwala zobaczyć barwy interferencyjne w świetle białym. Nie używaj substancji łatwopalnych.

Rozszczepienie białego światła badaj pryzmatem ze szkolnym źródłem LED. Rozpraszanie obserwuj z boku przez słabo mętną wodę z niewielką ilością mleka; model jakościowo ilustruje selektywną zmianę widoku, nie jest dokładną kopią atmosfery. W szkolnym spektroskopie z siatką porównaj bezpieczne źródła o widmie szerokim i liniach; lampę wyładowczą obsługuje wyłącznie nauczyciel w zamkniętym zestawie. Nie patrz na Słońce, łuk elektryczny ani silny laser. Notuj pasma, linie, szczelinę i rozdzielczość, zamiast dopisywać skład gazu na podstawie jednej barwy.

Polaryzacja: skąd liczymy natężenie?

Dla już liniowo spolaryzowanego światła padającego na analizator prawo Malusa daje I₂=I₁cos²θ. Przy 60° zostaje 1/4 natężenia padającego na ten analizator. Jeżeli początkowo światło było niespolaryzowane i wcześniej przeszło przez pierwszy idealny polaryzator, dodatkowo uwzględniamy wcześniejszy czynnik 1/2. Te dwie sytuacje mają inny punkt odniesienia.

Tło, rozproszone światło i nieidealne filtry sprawiają, że rzeczywisty pomiar dla prostopadłych osi nie musi być dokładnym zerem. Zmierz tło przy zasłoniętym źródle i porównuj ustawienia z tym samym źródłem oraz detektorem. Nie odejmuj dowolnie reszty tylko po to, by otrzymać oczekiwany wykres.

Widmo to położenia i rozdzielczość

Barwa całego źródła łączy wkład wielu długości fal i reakcję oka. Identyfikacja linii wymaga skali długości fali, porównania kilku linii i uwzględnienia szerokości obrazu szczeliny. Dwa bliskie prążki mogą zlać się w jeden, jeśli przyrząd ma zbyt małą zdolność rozdzielczą.

Kalibruj oś na znanych liniach w tym samym ustawieniu. Wygląd zdjęcia zależy też od ekspozycji i balansu bieli, więc automatycznie przetworzone kolory nie zastępują pomiaru położenia. W opisie oddziel dane spektralne od wrażenia „czerwone” czy „niebieskie”.

Zadania do tego tematu

• Częstotliwość z rejestracji modelowego dźwięku
• Dwa polaryzatory przy kącie sześćdziesięciu stopni
• Linie w widmie i potrzebna próba porównawcza

Dalsza lektura

Materiał referencyjny