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.