DALGA LEĞENİ DENEYLERİ
AMAÇ
Dalga Leğeninde iki boyutlu dalgaların davranışını, dalga boyunun
frekansa bağlı olarak değişimini ve dalgaların yansıması, kırılması, kırınımı gibi
özelliklerini incelemek.
ARAÇLAR
1 adet dalga tankı, 1 adet kontrol cihazı (2 güç kaynağı, lamba ve power LED güç
kaynakları, stroboskop motoru kontrol ünitesi), lamba ve ışık kaynağı, deney aparatları
GENEL BİLGİLER
Durgun su yüzeyi, su molekülleriyle oluşmuş gergin bir tabaka gibidir. Su dalgaları bu tabakada
oluşturulan şekil değişikliğinin ya da hareket enerjisinin ortam boyunca yayılmasıyla sadece su
yüzeyinde oluşur. Bu nedenle su dalgalarına su yüzeyinde yayıldıkları ve derinliklere inmedikleri
için yüzey dalgaları da denmektedir. Bu nedenle fırtınalı bir denizde, deniz yüzeyindeki gemiler
fırtınadan etkilenirken denizaltılar etkilenmez. Su dalgaları hareket ederken su yüzeyi civarındaki
su molekülleri, dairesel harekete benzer biçimde hareket eder ve enerji aktarımı yoluyla dalganın
hareketini sağlarlar. Dalgalar incelenirken dalga boyu (λ), frekans (f), periyot (T), dalganın hızı
(V), ve genlik gibi fiziksel tanımlamalar kullanılır.
• Periyot: Bir tam dalganın oluşması için geçen süre olup birimi saniye’ dir. Dalgaların
periyodu, sadece kaynağa bağlıdır.
• Frekans: Dalga kaynağının 1 sn’de oluşturduğu dalga sayısı olup birimi s–1 veya Hz’dir
• Dalga boyu: Bir dalganın bir periyotluk zamanda aldığı yol olup birimi cm’dirDalga
boyu, ardışık iki tepe arası ya da ardışık iki çukur arası uzaklık olarak ölçülebilir.
Dalgalar eşit zaman aralıkları ile elde edildiğinde periyodik dalga olarak adlandırılırlar. Periyodik
olarak hareket eden bir dalgada, ardışık bir tepe ile bir çukur arası uzaklık λ/2 ye eşittir. Dalga
hızı dnın birim zamandaki yer değiştirmesi olup V=λT bağıntısından bulunabilir.
Doğrusal ve Dairesel Atmalar
Su yüzeyindeki dalgalar, doğrusal veya dairesel olarak oluşturulabilir. Su derinliğinin her yerinde
aynı olduğu bir dalga leğenindeki doğrusal dalgalar, daima dalga tepesine dik doğrultuda yayılır.
Dairesel dalgalar ise şeklini bozmadan devamlı genişleyen halkalar şeklinde yayılır. Su
yüzeyindeki dalgaların yayılma hızı, suyun derinliğine bağlıdır. Derinlik arttıkça hız artar fakat
derinlik azaldıkça hız azalır. Su derinliği dalga boyuna göre az ise dalganın yayıma hızı derinlik
ile doğru orantılıdır.
λ
(a)
(b)
Şekil.1. a) düzlemsel dalgalar, b) dairesel dalgalar
1
YANSIMA
Yansıma, bir yüzeye çarpan dalgaların geldiği ortama belli bir açıyla geri
dönmesidir. Dalga leğeninde oluşturulan dalgaların önüne düz ya da küresel
engel konulursa, dalgalar ile engelin biçimine göre, yansımalar gerçekleşir.
Yansıma boyunca, dalga boyu, frekans, periyot ve yayılma hızı değişmez.
Doğrusal Dalgaların Düz Engelde Yansıması:
Düz bir engele paralel olarak gelen doğrusal dalgalar, engele çarptıktan sonra yine paralel olarak
geri yansır. Eğer dalgalar engele paralel gelmiyorsa, engele ilk değdiği noktadan yansımaya
başlayan doğrusal dalga olarak engelden uzaklaşır. Dalga tepesinin engel ile yaptığı açı ya da
dalganın hareket doğrultusunun engelin normali ile yaptığı açılar gelme ve yansıma açısı olup
şekildeki gibi θ1 = θ2 olmak zorundadır.
θ1
θ2
Şekil.2. Düzlemsel dalgalarda yansıma
Doğrusal Dalgaların Küresel Engellerde Yansıması
Bir dalga leğeninde ilerleyen doğrusal dalgaların önüne çukur ya da tümsek bir engel
konulursa, dalgalar engelin biçimine göre yansıyarak geri döner. Doğrusal dalgalar çukur
engelde odaklanıp tekrar açılarak yansır, tümsek engelde ise sanki arkadaki bir noktasal
kaynaktan geliyormuş gibi açılarak yansır.
Dairesel Dalgaların Düz Engelde Yansıması:
Bir noktadan daire şeklinde ilerleyerek düz engele çarpan dalga, engelin arkasındaki bir noktadan
geliyormuş gibi yansır. Meydana gelen dairesel dalganın merkezi ile engel arası dik uzaklık,
dairesel şekilde yansıyan dalgaların merkezi ile engel arası dik uzaklığı (d1=d2)birbirine eşittir,
bkz. Şekil.3
d1
(a)
(b)
d2
Şekil.3. a) düzlemsel dalganın içbükey yüzeyden yansıması, b) dairesel dalganın düz bir yüzeyden
yansıması
2
Su Dalgalarında Kırılma
Dalgaların yayılma hızı, bulundukları ortamların özelliklerine bağlı
olduğundan, ortam değiştiren dalgalar doğrultu da değiştirirler.
Ortamları birbirinden ayıran ara kesite gelen dalgaların doğrultu
değiştirmesi olayına kırılma denir. Su dalgaları derin ortamdan sığ ortama, ya da sığ
ortamdan derin ortama geçerken, dalga boyları ve hızları değişir. Derin ortamda, hız ve
dalga boyu büyük, kırıcılık küçüktür. Sığ ortamda, hız ve dalga boyu küçük, kırıcılık
büyüktür.
λ0
α
λ1
β
Şekil 4. İki değişik su derinliğindeki ara yüzde kırılan dalgaların geometrik gösterimi.
Gelme açısı α ve yansıma açısı β arasındaki bağıntı şu şekilde verilmektedir
sin α λ 0
=
. Ayrıca
sin β λ1
c
λ
kırılma indisleri oranı veya dalga hızları oranı da: n 01 = 0 = 0 olarak verilir. Burada c0 = derin
c1
λ1
sudaki faz hızı, c1 = sığ sudaki faz hızıdır.
Su Dalgalarında Kırınım
Su dalgalarının dar bir aralıktan geçerken, sanki aralığın içindeki bir nokta kaynaktan
çıkıyormuş gibi eğriselleşerek dairesel dalga biçiminde yayılmasına su dalgalarının kırınımı
denir.
λ
w
(b)
(a)
Şekil 5. Su dalgalarında kırınım. a) aralık dalgaboyuna göre büyük, b) aralık dalgaboyundan küçük.
Şekillerde, dalga leğenindeki bir aralığa, frekansı azaltılarak gönderilen dalgaların aralıktan geçişi
görülmektedir. Aralık genişliği w, su dalgalarının dalga boyu λ iken, λ > w ise kırınım olayı
gerçekleşir. Kırınım olayının gerçekleşmesi için dalga boyu büyük, aralık genişliği küçük
olmalıdır.
3
Su Dalgalarında Girişim:
Aynı fazda çalışan 2 noktasal kaynaktan dolayı oluşan dalgalar arasında
girişim gözlenir. Bu durum ayrıca 2 ayrı delik paralel dalganın önüne
konduğunda gerçekleşir. Girişim dalgaların maksimum ve minimumlarının
etkileşmesiyle oluşur. İki dalganın maksimumları birayara geldiğinde daha parlak, birinin
maksimumu diğerinin minimumuna geldiğinde veya her ikisi de minimumda iken daha koyu
noktalar gözlenir.
Şekil 6. Su dalgalarında girişim.
DENEYİN YAPILIŞI
Deney.1. Su Dalgalarının Üretilmesi
a. Küresel Dalgalar: ELES dalga leğenin yataylığını sağladıktan sonra (suyun derinliği her yerde
aynı olacak şekilde), içine 5-7 mm kadar su koyunuz.
b. Dairesel dalga üretmek için, titreşim jeneratörünün koluna tek bir dalga uyarıcısı (uzun çubuk)
takınız. Dalga frekansını cihazdan 5 Hz ila 25 Hz arasında uygun bir genlik değerinde ayarlayarak
dairesel dalgaları elde ediniz, bunların frekansa göre nasıl değiştiğini gözleyiniz ve bunlardan
herhangi birisi için ön ekrana bir beyaz kağıt yerleştirerek gördüğünüz şekli çiziniz.
c. Düzlem dalgalar: Düz dalga üretici çubuğu motor bağlantı koluna monte edip dalga leğeninin
alt ucuna götürünüz ve düz dalga kolunun su yüzeyine tam paralel olacak şekilde hafifçe değmesini
sağlayınız.
d. Kontrol cihazından 15 Hz ila 25 Hz arasında bir uyarıcı frekansı ve uygun bir genliğe
ayarlayarak ön ekrana bir tabaka beyaz kağıt yerleştirerek gördüğünüz şekli çiziniz.
Deney 2. Frekans ve Dalga Boyu Arasındaki İlişki
1) Bu deney hem düzlemsel hem de dairesel dalgalar kullanılarak incelenebilmektedir. Daha
kolay ayarlanabilmesinden dolayı tekli daldırıcı kullanınız ve 10-30 Hz’ lik uyarım
frekansları ayarlayınız.
2) Bir dalga tepesi veya çukuru arasındaki mesafeyi cetvel yardımı ile ölçünüz ve değerleri
aşağıdaki tabloya geçiriniz ve ortalama hızı bulunuz. Bu hız dalganın suda yayılma
hızıdır.
4
f (Hz)
λ (cm)
V=λ .f (cm/s)
10
15
20
30
Deney 3. Farklı Engellerdeki Yansıma
1)
Düz dalga aparatı kullanarak 20 ila 25 Hz arasında bir frekans ayarlayınız.
2)
Çizim tablosu üzerine bir tabaka beyaz kağıt yerleştirerek gördüğünüz şekli çiziniz.
3)
Bu sefer düz dalga aparatının 14-15 cm önüne içbükey yansıtıcıyı yerleştiriniz ve ön
ekrandaki şekli beyaz kağıt’a çiziniz. Yansıyan dalgaların odak uzaklığını belirleyiniz.
4)
Aynı işlemi bu yansıtıcıyı ters çevirerek dışbükey yansıtıcı olarak yapınız.
5)
Küresel dalga üretmek için, titreşim jeneratörünün koluna tek çubuğu takınız ve oluşan
şekli beyaz kağıda çiziniz.
Meydana gelen dairesel dalganın 10-15 cm önüne düz engel koyunuz. Dairesel dalganın
6)
merkez ile engel arasındaki dik uzaklığın, dairesel şekilde yansıyan dalgaların merkezi ile engel
arası dik uzaklığı birbirine eşit olduğunu cetvel yardımı ile ölçerek ispatlayınız.
Deney 4. Hızın ve dalgaboyunun su derinliğine bağımlılığı
1)Dikdörtgen şeklindeki bir Pleksiglas (Plastik cam) plakayı, dalga üretici leğenin dalga leğenine
yerleştiriniz. Doldurulacak olan su yüzeyinin derinliği, Pleksiglas plakasının biraz üzerinde
olacak şekilde ayarlayınız.
2)Dalga jeneratörü ve dalga leğeni dikkatli bir şekilde ayarlandıktan sonra 18 ile 25 Hz arasında
bir üretici frekansı dalga leğeninde ayarlayınız ve temiz bir dalga düzeni ortaya çıkacak şekilde
üretici genliğini seçiniz.
3)Plakanın alanı içerisinde ve dışındaki olabildiğince en uzak olan iki dalga tepesi arasındaki
mesafe cetvel yardımı ile ölçünüz.
4)Aşağıdaki tabloyu doldurunuz ve sonuçları yorumlayınız.
f ( Hz )
Derin su
Sığ su
λ ( cm )
c ( cm/s )
22
22
Deney 5. Su Dalgalarında Kırılma
1)Düzlem dalga jeneratörü kullanarak frekansı 20 ila 25 Hz arasında bir değere ayarlayınız.
2)Kırılım sağlayan yamuk plexiglas plakasını dalga önlerine karşı bir şekilde eğik konumda dalga
leğenine yerleştiriniz; dalga leğeni bu aşamadan sonra plaka tamamen suyun altında ve üzerinde
ince bir su tabakası kalacak şekilde suyla doldurunuz.
3)Ön ekrandaki kırınım görüntüsünü kağıt üzerine çiziniz.
4)Derin sudan sığ sulara doğru geçiş için kırılma indisini bulunuz.
5
Deney 6. Su Dalgalarında Kırınım
1) Dalga tepsisi içerisinde düzlem dalga üretecinin frekans da
18 ila 25 Hz arasında bir değere ayarlayınız.
2) Küçük bir engeldeki ve dar bir yarıktaki kırınım olayını gözlemleyiniz.
Yarık mesafesini 3 cm’den 0.5 cm’ye kadar değiştirerek kırınım oluşup oluşmadığını gözleyiniz
ve kağıt üzerinde kırınıma uğramayan ve uğrayan dalgaların şeklini çiziniz.
3) Aynı deneyi tek yarıklı engel kullanarak yapınız ve elde ettiğiniz görüntüden kırınım ağını
çiziniz.
Deney 7. Su Dalgalarında Girişim
1) Dalga leğeni içerisinde düzlem dalga üretecinin frekans da 10 ila 25 Hz arasında değişecek
şekilde uygun bir genliğe ayarlayınız.
2) Dalga önüne çift yarıklı engeli koyarak girişim deseni elde edip bu görüntüyü çiziniz.
3) Bu kez çift nokta üreteci aparatı kullanarak çift dairesel dalga üretip girişim deseni
oluşturunuz ve bu deseni bir kağıda çiziniz. Bu görüntülerin bir önceki görüntüye benzerliğini
tartışınız.
6
Download

FZM-254 Dalgalar Deney Föyü