Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2000 № 04
При аккуратной работе толщина перегородок между пазами может не превышать миллиметра. (Для получения чистого качественного реза на фрезу следует каплями подавать воду.) Перегородки смажьте эпоксидной смолой, после чего наклейте на них алюминиевую фольгу. Скорость передачи тепла через нее в сотни раз больше, чем через стекло. Это значительно повысит скорость появления конвекционных потоков в ацетоне, а значит, и скорость появления теплового изображения.
Добиться дальнейшего повышения скорости можно только за счет уменьшения массы нагреваемого ацетона. Для этого нужно уменьшать ширину и глубину канавок. При этом одновременно улучшится и четкость теплового изображения. Весьма вероятно, что в канавках очень малого размера конвекция прекратится. Но, может быть, и нет. Известны работы, в которых доказывается существование циркуляции жидкости даже в капиллярах. В таком случае у вас может получиться простое как лопата, тепловизионное устройство, сравнимое по качеству с электронным. Попробуйте!
А. ИЛЬИН
Рисунки автора
СДЕЛАЙ ДЛЯ ШКОЛЫ
К тайнам света на гребнях волн
Большинство оптических явлений, свойства линз и зеркал, микроскопов и телескопов наиболее полно объясняются с позиций наличия у света волновых свойств. Но свет — это не более чем часть широкого диапазона электромагнитных волн. Понимание их законов поможет разобраться и в таких важных для нашей жизни вещах, как радиолокационные антенны, волоконная оптика, рентгеноструктурный анализ. Более того, тем же волновым законам подчиняются и явления другой природы: звуки и движение электронов на их орбитах, распространение нервных импульсов в мозгу и сердечной мышце, слухи, психозы, пожары, даже эпидемии болезней!..
Однако самые подробные объяснения учителя трудно понять, если нет возможности посмотреть на движение волн глазами.
Брошенный в воду камень создает круговые волны. В этих волнах происходит интенсивное круговое движение и перемещение масс воды. Плавающую в воде пробку они интенсивно относят в сторону. Подобных свойств нет у световых или других перечисленных видов волн, так что для иллюстрации волновых свойств света они не пригодны.
Другое дело — очень малые волны длиной 1–2 см и высотой 2–3 мм. Брошенные на поверхность, по которой бегут такие волны, мелкие кусочки пенопласта остаются практически на месте. Это позволяет считать волны поперечными, похожими на световые. А отсутствие переноса вещества позволяет моделировать с их помощью и другие волны, в частности звуковые.
Скорость наших волн зависит от глубины сосуда, и это делает их очень полезными при изучении законов преломления. Такие волны получают обычно в волновых ваннах (в прошлом веке волновые ванны заливали ртутью (рис. 1).
Волны на ее поверхности были хорошо видны и двигались очень медленно). Чтобы волны были видны всему классу, через них приходится про пускать свет от точечного источника.
Бывают ванны с зеркальным дном (рис. 2).
Их можно устанавливать на столе. Но лучше использовать ванны с прозрачным дном. Учителя часто делают их самостоятельно, монтируя под откидной крышкой стола (рис. 3).
Если свет лампы пропускать через увеличительное стекло с нанесенными на него цветным прозрачным лаком для ногтей разноцветными — красной и синей — кольцевыми зонами, получится очень своеобразный эффект. Гребни и впадины волн получатся на экране разноцветными. Это не только красиво, но и делает более заметными волны малой высоты, особенно на наклонном экране. Но неплохо выглядит картина и на потолке.
Прерывая луч света с определенной частотой, картину движения волн можно замедлить, остановить и даже пустить вспять. Для этого луч света пропускают через обтюратор — вращающийся диск с прорезью. Этот диск установлен на универсальном электродвигателе, скорость вращения которого регулируется изменением питающего напряжения.
Теперь опишем несколько демонстраций. Для показа круговых волн и их интерференции в ванну наливают слой воды глубиною 0,5 см.
Дно ванны при помощи уравнительных винтов или подкладок выставляют строго горизонтально. Следует обратить внимание на края ванны. У ванн с зеркальным дном они делаются пологими. Благодаря этому достигающие их волны не отражаются, а затухают. В самодельных ваннах края обычно прямоугольные. Отражение волн от них портит наблюдаемую картину. Для устранения отражений края ванн обкладывают толстой рыхлой тканью или сукном. На краю ванны устанавливают стандартный вибратор с плоской пружиной, который приводят в действие пальцем.
Существуют и механические вибраторы, работающие от миниатюрных электродвигателей постоянного тока, допускающих регулировку скорости вращения при помощи реостата.
Очень удобен вибратор из миниатюрного реле (РЭС-10,13) со снятым корпусом (рис. 4).
Соединяя последовательно катушку и нормально замкнутые контакты, его переводят в автоколебательный режим.
Стандартный вибратор имеет различные насадки с шариками, служащие для образования круговых волн. С ними легко получить картины интерференции. Регулируя частоту прерывания света, можно замедлить их движение вплоть до остановки, что позволит разглядеть картину в подробностях. Полезно, немного наклонив вибратор, получить сдвиг фаз между волнами и обратить внимание на изменение положений максимумов в интерференционной картине. Наблюдаемый эффект уместен для иллюстрации рассказа о радиолокаторах с фазированными антенными решетками.
Как мы уже сказали, изменением частоты прерывания света можно получить обратное движение волн. Вопреки бытующему мнению эта картина имеет физический смысл. В этом случае излучатели изображают систему синхронных приемников, работающих с одинаковой частотой и фазой. При этом происходит прием сигналов от источников, расположенных в зонах интерференционного максимума. В частности, на таком принципе работает акустическая антенна пассивного звуколокатора подводной лодки.
Теперь о демонстрации прохождения волн через линзы.
На дно ванны положите плоскую модель линзы от прибора «оптическая шайба Гартля». Залейте в ванну воды, так чтобы она была выше линзы на 4–5 мм. Используя в качестве излучателя плоскую пластину, можно получить параллельный пучок волн с плоским фронтом (рис. 5).
Рис. 5
Облучая им модель собирающей линзы, при стробоскопическом замедлении картины можно заметить, как скорость волн над линзой уменьшается и как это замедление приводит к наибольшему отставанию в центре линзы. Фронт волны изгибается, и получается сходящийся пучок волн. На псевдоцветной проекции можно хорошо разглядеть увеличение высоты волн в фокусе.
А теперь попробуйте поставить, казалось бы, абсурдный опыт. Поставьте модель плоско-выпуклой линзы на попа и облучите ее плоской, по возможности короткой волной. Вы вновь получите пучок сходящихся волн (рис. 6).
Объяснить его физический смысл нетрудно, зная о зависимости скорости волн от глубины. Опыт иллюстрирует принципы так называемой градиентной оптики.
Речь идет о новых типах линз, представляющих собою плоскую пластину, в которой коэффициент преломления стекла симметрично меняется (имеет градиент) относительно центра. Пока линзы, основанные на этом принципе, можно увидеть лишь в лабораториях. Однако метод градиента преломления широко применяется в некоторых изделиях декоративного искусства.
Вы наверняка встречали дверные и оконные стекла, через которые прекрасно проходит свет, но все искажается так, что ничего не разглядишь. Издали они похожи на грубо отесанный кусок льда. Но подойдите и пощупайте — перед вами плоские пластины…
Волновая ванна позволяет наглядно и в динамике показать удивительно много физических процессов, лежащих в основе важнейших устройств современной техники. Не исключено, что работа с ней может привести к большим и малым открытиям и изобретениям. Поэтому такой прибор особенно ценен для физического кружка в современной не слишком богатой приборами школе.
Тому, кто захочет серьезно заняться этим делом, советуем прочесть интересную книгу.
Роберт Вихард Голь. Механика, акустика и учение о теплоте. Учебник издавался у нас с 1953-го и, по крайней мере, до 1971 года. На случай, если будет возможность выбора, учтите: в ранних изданиях есть много очень интересных, выпущенных позже мест…
А. ВАРГИН
