: Fysik 2 för tekniskt/naturvetenskapligt basår Handledning laboration 1 VT 2017
Laboration 1 Förberedelseuppgifter 1. För en våg med frekvens f och våglängd λ kan utbredningshastigheten skrivas: 2. Färgen på synligt ljus beror som bekant på våglängden. Vilken våglängd har blått ljus? svar: rött ljus? svar: 3. Vad menas med koherenta vågkällor? Komplettera följande mening (se Ergo) Koherenta vågkällor svänger med samma 2
Del 1: Kastparabel I detta försök har du tillgång till en liten hoppbacke, i vilken du kan släppa en kula som i backens slut rör sig horisontellt. Om du släpper kulan på banan från samma höjd varje gång får den samma hastighet, v 0, vid banans slut när den lämnar banan. Kulans hastighet består av två komposanter, en i x-led och en i y-led. Om vi bortser ifrån luftmotstånd så är rörelsen i y-led helt enkelt fritt fall. Hastigheten i x-led, v 0x, är konstant, det finns ju ingen kraft som kan öka, minska, eller ändra hastighetens riktning. För fritt fall i y-led gäller: där g=9,82 m/s 2, och i x-led har vi: 1. Tejpa fast ett vitt papper på en bräda och sätt ett karbonpapper över. Placera brädan vertikalt, tätt intill backens utlopp. Se till att kulan kan lämna hoppbacken med en utgångshastighet horisontell med marken! När kulan träffar karbonpappret blir det ett märke på det vita pappret under. Flytta brädan längre och längre bort ifrån hoppbacken, cirka 1 dm åt gången, tills kulan slutligen slår i golvet. Anteckna avståndet till utloppet för varje position. 2. Rita ett diagram över kulbanans utseende, y(x). 3. Välj en punkt i kulans bana och beräkna tiden t som svarar mot denna punkt med hjälp av dina befintliga mätvärden. Beräkna utgångshastigheten v0 (= v0x ). 4. Beräkna även utgångshastigheten med hjälp av energiprincipen. Jämför resultatet. Diskutera vilka felkällor som finns i de båda metoderna. 3
Del 2: Svängningar och ljud A. Mekaniska vågor På labplatsen finns en spiralfjäder som är uppspänd lodrätt mellan en stativhållare och en vibrator. Vibratorn alstrar longitudinella svängningar i fjädern. 1. Starta vibratorn och öka långsamt frekvensen från 0 tills att en stående våg uppstår, med en nod mellan fjäderns ändpunkter. Beräkna utbredningshastigheten för fortskridande longitudinella vågor i fjädern. 2. Öka frekvensen tills att en stående våg uppstår med 3 noder mellan fjäderns ändpunkter. Beräkna vid vilken frekvens nästa stående våg bör uppstå om man skulle öka frekvensen ytterligare. Testa ditt svar genom att öka frekvensen, och redovisa din beräkning för labassistenten. B. Ljudvågor I denna del kommer du att få studera en stående ljudvåg. Till din hjälp har du ett en uppställning med genomskinligt plexiglasrör som kallas Kundts rör. En tongenerator kopplad till en högtalare alstrar en plan ljudvåg som utbreder sig axiellt i röret och reflekteras mot en metallplatta i rörets ena ände. Den reflekterade ljudvågen har i stort sett samma amplitud som din infallande vågen, vilket ger upphov till en stående våg. Den stående vågen kan undersökas med hjälp av en flyttbar mikrofon som är instucken i röret. Mikrofonens utslag kan avläsas på ett oscilloskop i form av en varierande spänning. 1. Ställ in tongeneratorn på ca 850 Hz. 2. Flytta mikrofonen och notera hur oscilloskopets utslag ändras. Bestäm hur långt du måste flytta mikrofonen för att gå från en nod till en annan. 3. Använd din mätdata till att beräkna våglängden för ljudvågen. 4. Beräkna ljudets hastighet utifrån ljudets frekvens och våglängd. 5. Höj tonens frekvens till 1700 Hz och upprepa försöket. Blir ljudhastigheten annorlunda för en högre frekvens? 4
Del 3: Ljus Under kursen har du fått höra att ljus uppvisar vågegenskaper. Du kommer nu att få undersöka hur ljus böjer då det passerar en smal öppning, en spalt. Du kommer nu att få se hur ljus ifrån två källor kan interferera konstruktivt och destruktivt med varandra, precis som vi väntar oss av vågor. A. Böjning i enkelspalt Du ska nu belysa en smal spalt med laserljus. På en skärm bakom spalten kan du undersöka det resulterande intensitetsmönstret. 1. Använd en spaltbredd på 0,05 mm. Se till att laserstrålen träffar spalten och sedan skärmen under räta vinklar. 2. Öka nu spaltbredden och notera hur mönstret på skärmen förändras. När blir böjningseffekter märkbara? B. Dubbelspalt 1. Byt ut enkelspalten mot en dubbelspalt. Låt avståndet mellan spalterna och skärmen vara över en meter. 2. Studera återigen mönstret på skärmen och notera eventuella skillnader i centralmaximat. Kan du förklara det du ser? Tänk på att då dubbelspalten belyses kommer de båda spalterna att agera som två koherenta vågkällor. 3. Bestäm ljusets våglängd. C. Gitter 1. Byt ut dubbelspalten mot ett gitter. Belys gittret och notera var på skärmen ljusmaxima uppstår. 2. Använd ett givet värde på ljusets våglängd och bestäm gitterkonstanten. 3. Håll upp ett gitter mot ett lysrör. Förklara varför färgerna hamnar i den ordning som de gör. D. Interferens med mikrovågor (görs i mån av tid) Ställ upp en fast och en rörlig metallskärm tätt intill varandra. Justera så att de står parallella med varandra. Håll sändaren så att du får en liten infallsvinkel mot reflektorerna. Du kommer nu att få två reflekterade vågor, en från vardera reflektor. 2. Avlägsna den rörliga reflektorn några millimeter. Signalen i mottagaren minskar. Fortsätt flytta reflektorn tills signalen i stort sett upphör. Hur kan detta inträffa? 3. Fortsätt avlägsna reflektorn tills du får ett nytt maximum i mottagaren. Bestäm mikrovågornas våglängd! 5