III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ СТОЯЧИХ ВОЛН
Шиверский Г., Веретенников А.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Актуальность

Данный проект поможет усовершенствовать способы очистки жидкостей и газов. К примеру: очитка отходов ТЭС и АЭС, фильтрация воды (без фильтров). Это поможет сохранить окружающую среду от различных отходов, экономить материалы, регулировать электропроводимость (и другие параметры) в металлах с помощью разделения на «основно» металл и примеси.

Цель работы

  • Узнать, как ведут себя стоячие волны при разных условиях

  • Продемонстрировать стоячие волны

  • Продемонстрировать зависимость длины волны от частоты колебаний

Задачи работы

  • Понаблюдать стоячую волну

  • Провести эксперимент «фигуры Хладни»

  • Провести замеры и составить графики

Объект исследования

Объектом исследования являются стоячие волны.

Предмет исследования

Взаимодействие колеблющейся поверхности и песка будет показывать стоячие волны и их узлы.

Методы исследования

Наблюдение: Мы рассмотрели явление стоячей волны на колеблющейся поверхности.

Сравнение: Мы сравнили «рисунки» и частоту колебаний

Измерение: При помощи данной частоты и знания скорости распространения волны, мы можем вычислить длину волн и составить графики.

Эксперимент: Мы с помощью высокочастотного генератора заставили колебаться поверхность и тем самых вызвали изменения расположения песка.

Моделирование: Мы построили графики, тем самым смоделировав стоячую волну, что поможет в исследовании объекта.

Также мы использовали глобальные компьютерные сети и различную литературу по данному вопросу.

Гипотеза

Предположим: стоячие волны способны разделять жидкости и газы в определенных узлах. В нашем случае, при данном эксперименте, мы используем сыпучее вещество и пространство пластины. По нашему предположению, один из объектов (в нашем случае сыпучее вещество) будет выстраиваться в узлы, где амплитуда колебаний равно нулю, а в пространстве, где амплитуда колебаний выше нуля, будет оставаться пустое пространство, либо пространство с незначительным количеством вещества. Для подтверждения нашей гипотезы, мы будем использовать эксперимент «фигуры Хладни».

Основная часть

1.Что такое стоячая волна?

Стоячая волна — явление интерференции волн, распространяющихся в противоположных направлениях, при котором перенос энергии ослаблен или отсутствует. В нашем случае, колебательный (волновой) процесс в распределённых колебательных системах с характерным устойчивым в пространстве расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды. Такой колебательный процесс возникает при интерференции нескольких когерентных волн. Стоячая волна возникает при отражении волны от неоднородностей в результате взаимодействия падающей и отражённой волны. На результат интерференции влияют частота колебаний, модуль и фаза коэффициента отражения, направления распространения падающей и отраженной волн друг относительно друга, изменение или сохранение поляризации волн при отражении, коэффициент затухания волн в среде распространения. Волна может существовать только при отсутствии потерь в среде распространения и полном отражении падающей волны. В нашей среде существенен режим смешанных волн, всегда присутствует перенос энергии к местам поглощения и излучения.

Если при падении волны происходит её полное поглощение, то отраженная волна отсутствует, интерференции волн нет, амплитуда волнового процесса в пространстве постоянна (картинка стоячей волны см. приложение картинка №1).

2.Структура установки

Установка, на которой мы проводим эксперимент состоит из:

  • Генератор низкой чистоты лабораторный (ГНЧЛ). Напряжение питания генератора 36В или 42В переменного тока промышленной частоты. Диапазон генерируемых частиц разбит на два поддиапазона: от 40Гц до 400Гц и от 400Гц до 4000Гц.

  • Виброгенератор*. Питание осуществляется от генератора синусоидальных колебаний (до 1А) на виброгенератор должно подаваться напряжение от 9 до 10В.

  • Металлические пластины: круг, квадрат, треугольник.

  • Контейнер с рассыпчатым веществом (песок).

  • Веб-камера. Имеет подвижную стойку штатива, максимальная высота штатива - 0.5м. Тип сенсора веб-камеры CMOS, разрешение 640x480 точек, количество кадров в секунду – 30.

Виброгенератор представляет собой электромеханическое устройство, в котором механические колебания штока возникают за счет взаимодействия прикрепленной к штоку катушке с полем постоянного магнита при пропускании через катушку переменного тока.

3.Фигуры

Собрав установку, мы подсоединили ее к источнику питания (розетка 42В). От ГНЧЛ идут провода к виброгенератору (для более точных исследований мы в дополнении используем конденсатор, на который закреплена пластина (в данном примере треугольник)). На пластину насыпаем песок. Запускаем ГНЧЛ и ставим разную частоту, амплитуду на максимум.

От изменения частоты зависит форма рисунка, для нахождения оптимальной частоты мы вращаем фиксатор: если частота не подходящая, то песок либо не двигался, либо двигался слабо, но когда мы находим нужное число, то песок начинает активно «скакать», выстраиваясь в рисунок, песок подстраивается под узлы, где амплитуда равна 0. Мы получили рисунки (см. приложение таблицы № 1, 2, 3) на треугольнике. В приложении представлены таблицы зависимости рисунка от частоты. Так же сделаны замеры и запечатлены рисунки на плоскостях: квадрат и круг.

Заключение

Проведя ряд экспериментов, мы составили аналитические таблицы (см. таблицы № 1, 2, 3), которые показывают зависимость рисунка от поверхности и частоты колебаний. На основании полученных данных мы можем полностью заявить, что данный проект в действительности может помочь усовершенствовать способы очистки и переработки жидкостей и газов.

Список источников

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%BE%D1%8F%D1%87%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B0

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%B3%D1%83%D1%80%D1%8B_%D0%A5%D0%BB%D0%B0%D0%B4%D0%BD%D0%B8

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BD%D1%82%D0%B5%D1%80%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD

Приложение

Таблица №1

Изображение

Частота, Гц

 

50

 

80;160

 

400;500

 

1600

Таблица №2

Изображение

Частота, Гц

 

60

 

140

 

400

 

700

 

1400

 

3000

Таблица №3

Изображение

Частота, Гц

 

500

 

900

 

1200

 

1800

 

3000

Картинка № 1