Dział · Liczba gier: 27

Fale: co się przemieszcza i jak szybko

Fala przenosi energię i kształt z miejsca na miejsce, a ośrodek jedynie drga tam i z powrotem. Jej częstotliwość, długość i prędkość są ze sobą powiązane: v = f·λ, T = 1 ÷ f.

Gry w tym dziale

Liczba gier: 27

ZAGRAJ TERAZ · 65

Impuls na linie: co przemieszcza się wraz z falą?

Fala przenosi kształt i energię, a lina porusza się tylko w górę i w dół. Zmierz czas biegu impulsu, zobacz, że wstążka zostaje na miejscu, odczytaj amplitudę, dodaj dwa spotykające się impulsy i złap echo.

Czym jest falaAmplituda
Zagraj w Impuls na linie
Prędkość fali
v = d ÷ t
Impulsy się dodają
y = y₁ + y₂

ZAGRAJ TERAZ · 67

Moc na linie: ile energii niesie fala?

Fala niesie energię wzdłuż liny do pochłaniacza na dalekim końcu. Podwój amplitudę, podwój też częstotliwość, oblicz waty, znajdź wychylenie, które zachowuje tę samą moc, i wypróbuj cięższą linę.

AmplitudaMoc fali
Zagraj w Moc na linie
Moc fali
P = ½·μ·ω²·A²·v
Liczą się kwadraty
P ∝ A²·f²

ZAGRAJ TERAZ · 68

Linijka w kuwecie falowej: pomiar długości fali

Listwa zanurza się w kuwecie 8 razy na sekundę i wysyła wzdłuż niej proste zmarszczki. Policz odstępy między grzbietami, odczytaj zdjęcie w połowie wielkości, wyznacz prędkość z v = f·λ, spowolnij zmarszczki nad płytką częścią i zmierz czas ich przejścia.

Długość faliPomiar fal
Zagraj w Linijkę w kuwecie falowej
Liczenie odstępów
λ = d ÷ (n − 1)
Równanie fali
v = f·λ

ZAGRAJ TERAZ · 70

Stroik strun: częstotliwość i wysokość dźwięku

Dźwięk struny to jej częstotliwość, f = v ÷ (2·L). Wyznacz dźwięk struny gitarowej, skróć ją o połowę dla oktawy, przyciśnij, aby zagrać inny dźwięk, napnij ją i zmierz czas jednego drgania, sprawdzając wszystko stroikiem.

CzęstotliwośćDźwięk i jego wysokość
Zagraj w Stroik strun
Częstotliwość struny
f = v ÷ (2·L)
Oktawa
L ÷ 2 → 2·f

ZAGRAJ TERAZ · 71

Zatrzymane stroboskopem: łapanie częstotliwości błyskami

Stroboskop oświetla poruszającą się falę na ułamek chwili, raz za razem. Błyskaj raz na cykl, a fala się zatrzyma; trochę obok, a będzie pełznąć z częstotliwością f − f_s. Zatrzymaj falę, odczytaj jej pełznięcie, zmierz częstotliwość, zatrzymaj koło i wyznacz prędkość.

CzęstotliwośćEfekt stroboskopowy
Zagraj w Zatrzymane stroboskopem
Widziana częstotliwość
f_seen = f − f_s
Zatrzymane błyskami
f_s = f

ZAGRAJ TERAZ · 72

Czekanie surfera: okres fali

Surfer czekający w jednym miejscu unosi się na każdym przechodzącym grzbiecie, raz na okres T = λ ÷ v. Zmierz czas oczekiwania, policz fale na minutę, wyznacz prędkość i odstęp fali i zamień okres na częstotliwość.

OkresFale oceaniczne
Zagraj w Czekanie surfera
Okres
T = λ ÷ v
Częstotliwość
f = 1 ÷ T

ZAGRAJ TERAZ · 73

Zegar pływów: okres pływów

Morze w porcie podnosi się i opada z okresem około 12 h 25 min. Zmierz czas czterech pływów, znajdź odpływ, policz przypływy w ciągu doby, zobacz, dlaczego przypływ przychodzi każdego dnia 50 minut później, i wyznacz długość fali pływowej.

OkresPływy
Zagraj w Zegar pływów
Okres
T = 12 h 25 min
Długość fali
λ = v·T

ZAGRAJ TERAZ · 75

Wyścig z tsunami: jak głębokość wyznacza prędkość fali

Tsunami jest tak długie, że porusza się z nim cała głębokość morza, a jego prędkość to v = √(g·h). Wyznacz jego prędkość nad głębokim oceanem, zamień ją na km/h, zmierz czas przebycia 2000 km, zobacz, jak zwalnia przy brzegu, i odczytaj głębokość z prędkości.

Prędkość faliTsunami
Zagraj w Wyścig z tsunami
Prędkość
v = √(g·h)
Głębokość
h = v² ÷ g

ZAGRAJ TERAZ · 76

Laboratorium sprężyny: fale poprzeczne i podłużne

Potrząsaj sprężyną slinky na boki, a każdy zwój porusza się w poprzek: to fala poprzeczna. Pchaj i ciągnij ją, a każdy zwój porusza się wzdłuż, tworząc zagęszczenia: to fala podłużna. Wyznacz kąt ruchu zwoju, odstęp zagęszczeń i ich prędkość.

Poprzeczne i podłużneSprężyna slinky
Zagraj w Laboratorium sprężyny
Prędkość fali
v = f·λ
Zagęszczenia
λ = v ÷ f

ZAGRAJ TERAZ · 77

Trzęsienie ziemi P i S: dwa rodzaje fal sejsmicznych

Trzęsienie ziemi wysyła szybką falę podłużną P i wolniejszą falę poprzeczną S. Odstęp między nimi mówi stacji, jak daleko było trzęsienie. Wyznacz tę odległość, czasy przybycia, ruch gruntu w fali S i jej prędkość.

Poprzeczne i podłużneTrzęsienia ziemi
Zagraj w Trzęsienie ziemi P i S
Odległość
d = Δt ÷ (1/v_S − 1/v_P)
Odstęp przybycia
Δt = d ÷ v_S − d ÷ v_P

ZAGRAJ TERAZ · 78

Echosonda: odległości z echa

Echo to dźwięk, który się odbił, więc pokonuje odległość dwa razy: d = v·t ÷ 2. Zbadaj dno morza sonarem, znajdź ćmę nietoperza, zmierz czas echa od urwiska, zmierz prędkość dźwięku w wodzie morskiej i znajdź ławicę ryb.

OdbicieSonar i echo
Zagraj w Echosondę
Odległość
d = v·t ÷ 2
Czas echa
t = 2d ÷ v

ZAGRAJ TERAZ · 79

Odbite zmarszczki: jak odbijają się fale

Zmarszczka odchodzi od ściany pod tym samym kątem, pod jakim przyszła. Impuls na linie wraca odwrócony od zamocowanego końca i prosto od swobodnego. Wyznacz kąt odbicia, wyceluj odbiciem od bandy, przewidź stronę każdego impulsu i zmierz czas drogi tam i z powrotem.

OdbicieZmarszczki i liny
Zagraj w Odbite zmarszczki
Kąt odbicia
θ_out = θ_in
Sztywny koniec
y_back = −y

ZAGRAJ TERAZ · 80

Płytka plaża: fale, które zakręcają

Fale zwalniają w płytkiej wodzie. Ich częstotliwość się nie zmienia, więc maleje długość fali, a jeśli nadchodzą pod kątem, zakręcają: to załamanie. Wyznacz nową długość fali, częstotliwość, kąt, prędkość i głębokość nad mielizną.

ZałamanieFale morskie
Zagraj w Płytką plażę
Długość fali
λ₂ = λ₁·v₂ ÷ v₁
Prawo Snelliusa
sin θ₁ ÷ sin θ₂ = v₁ ÷ v₂

ZAGRAJ TERAZ · 81

Łowienie z oszczepem: światło, które zakręca w wodzie

Światło jest wolniejsze w wodzie, więc zakręca, przechodząc przez powierzchnię: n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂. Ryba wydaje się płycej, niż jest. Wyznacz prawdziwą głębokość ryby, kąt lasera w wodzie, miejsce, w które celować oszczepem, współczynnik załamania cieczy i kąt graniczny.

ZałamanieŚwiatło
Zagraj w Łowienie z oszczepem
Prawo Snelliusa
n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂
Prawdziwa głębokość
d = n·d_seen

ZAGRAJ TERAZ · 82

Dwa głośniki: głośne i ciche miejsca

Dwa głośniki grające ten sam dźwięk wypełniają pokój głośnymi i cichymi miejscami. Cicho jest tam, gdzie jeden jest o pół fali dalej niż drugi: Δd = (n + ½)·λ. Znajdź ciche i głośne miejsca, częstotliwość, długość fali i to, co robi odwrotnie podłączony głośnik.

InterferencjaDźwięk
Zagraj w Dwa głośniki
Ciche miejsca
Δd = (n + ½)·λ
Głośne miejsca
Δd = n·λ

ZAGRAJ TERAZ · 83

Strojenie dudnieniami: dźwięki, które falują

Dwa dźwięki o bliskiej wysokości wchodzą w fazę i z niej wychodzą, więc dźwięk narasta i słabnie |f₁ − f₂| razy na sekundę. Stroiciele nasłuchują, aż dudnienia zwolnią i ustaną. Wyznacz częstotliwość dudnień, przestrojenie, czas między dudnieniami, za wysoko czy za nisko i różnicę wysokości.

DudnieniaDźwięk
Zagraj w Strojenie dudnieniami
Częstotliwość dudnień
f_b = |f₁ − f₂|
Czas między dudnieniami
T_b = 1 ÷ f_b

ZAGRAJ TERAZ · 84

Wejście do portu: fale, które się rozchodzą

Fale rozchodzą się po przejściu przez szczelinę, najbardziej wtedy, gdy ma ona szerokość około jednej długości fali. Daleko za nią pierwszy spokojny kierunek to sin θ = λ ÷ a. Znajdź spokojne kierunki, wejście, które uspokaja łódź, długość fali i chwilę, gdy fale wypełniają cały port.

UgięcieFale na wodzie
Zagraj w Wejście do portu
Pierwszy spokojny kierunek
sin θ = λ ÷ a
Długość fali
λ = v·T

ZAGRAJ TERAZ · 85

Laser i szczelina: światło, które się rozchodzi

Światło przechodzące przez wąską szczelinę rozchodzi się w jasny prążek z ciemnymi prążkami po obu stronach. Pierwszy ciemny prążek jest y = λ·L ÷ a od środka. Wyznacz ciemny prążek, szerokość środkowego prążka, szerokość szczeliny, długość fali lasera i drugi ciemny prążek.

UgięcieŚwiatło
Zagraj w Laser i szczelinę
Pierwszy ciemny prążek
y = λ·L ÷ a
Środkowy prążek
w = 2·λ·L ÷ a

ZAGRAJ TERAZ · 86

Przejazd karetki: zmieniająca się wysokość syreny

Jadąca syrena zagęszcza fale dźwiękowe przed sobą i rozciąga je za sobą, więc słyszysz ją wyżej, gdy się zbliża, i niżej, gdy się oddala: f' = f·v ÷ (v ∓ v_s). Wyznacz wysokość przy zbliżaniu i oddalaniu, prędkość karetki, dźwięk syreny i oktawę.

Zjawisko DoppleraDźwięk
Zagraj w Przejazd karetki
Zbliżanie się
f' = f·v ÷ (v − v_s)
Oddalanie się
f' = f·v ÷ (v + v_s)

ZAGRAJ TERAZ · 87

Płynąca kaczka: zmarszczki z przodu i z tyłu

Każde pociągnięcie łapek wysyła krąg z miejsca, w którym jest kaczka, więc kręgi zagęszczają się z przodu i rozsuwają z tyłu: λ' = (v ∓ v_s) ÷ f. Szybsza od swoich zmarszczek kaczka tworzy falę dziobową w kształcie litery V. Wyznacz odstępy, prędkość, częstość wiosłowania i kąt fali dziobowej.

Zjawisko DoppleraFale na wodzie
Zagraj w Płynącą kaczkę
Odstęp zmarszczek
λ' = (v ∓ v_s) ÷ f
Fala dziobowa
sin θ = v ÷ v_s

ZAGRAJ TERAZ · 88

Miernik decybeli: jak głośno jest głośno?

Decybele liczą potęgi dziesięciu: L = 10·log(I ÷ I₀), więc każde 10 dB to dziesięć razy większe natężenie, a dwa razy dalej jest o około 6 dB ciszej. Wyznacz poziom dziesięciu głośników, spadek z odległością, stosunek natężeń, poziom i odległość.

DźwiękDecybele
Zagraj w Miernik decybeli
Poziom dźwięku
L = 10·log(I ÷ I₀)
Odległość
I ∝ 1 ÷ r²

ZAGRAJ TERAZ · 89

Flet z butelki: dźwięki z powietrza i wody

Butelka to piszczałka zamknięta z jednej strony: jej słup powietrza mieści ćwierć fali, więc f = v ÷ 4L. Dolej wody, a słup się skróci i dźwięk będzie wyższy. Wyznacz dźwięk butelki, dźwięk po dolaniu wody, długość słupa, ile dolać i następny wyższy dźwięk.

DźwiękRezonans
Zagraj we Flet z butelki
Piszczałka zamknięta
f = v ÷ 4L
Wyższe dźwięki
f_n = n·v ÷ 4L

ZAGRAJ TERAZ · 90

Warsztat anten: jak długa jest fala radiowa?

Radio, Wi-Fi i mikrofale to fale biegnące z prędkością 3 × 10⁸ m/s. Użyj λ = c ÷ f, aby wyznaczyć ich długości, dobierz antenę ćwierćfalową, wyznacz odstęp gorących punktów kuchenki mikrofalowej i zobacz, dlaczego maszty AM są tak wysokie.

Długość faliFale radiowe
Zagraj w Warsztat anten
Długość fali
λ = c ÷ f
Antena ćwierćfalowa
L = λ ÷ 4