background image

 

I WSTĘP TEORETYCZNY 

1.  Definicja fali: 

 

Fala  jest  to  swego  rodzaju  zaburzenie  rozprzestrzeniające  się  w  danym 

ośrodku.  Fale  mechaniczne  jest  to  najbardziej  znany  rodzaj  fal,  ponieważ 
napotykamy  je  prawie  zawsze  -  typowe  przykłady  to  fale  na  wodzie,  fale 
dźwiękowe  lub  fale  sejsmiczne.  Wszystkie  te  fale  mają  pewne  wspólne  cechy,  a 
mianowicie mogą istnieć wyłącznie w jakimś ośrodku materialnym: w wodzie, w 
powietrzu, w skale. Fale elektromagnetyczne to fale mniej znane, mimo iż stale się 
nimi  posługujemy.  Zaliczamy  do  nich  światło  widzialne  i  nadfioletowe,  fale 
radiowe  i  telewizyjne,  mikrofale,  promieniowanie  rentgenowskie  oraz  fale 
radarowe.  Fale  te  nie  potrzebują  żadnego  ośrodka  materialnego.  Fale  materii 
pomimo  że  są  powszechnie  wykorzystywane  we  współczesnej  technice,  są  one 
najmniej  znane.  Są  to  fale  związane  z  cząstkami  elementarnymi,  a  nawet  z 
atomami  i  cząsteczkami.  Ponieważ  te  obiekty  uważamy  na  ogół  za  składniki 
materii, fale te nazywamy falami materii.  

 

2.  Właściwości fali: 

odbicie –  po dojściu do granicy ośrodków fale zmieniają kierunek poruszając się 
nadal w tym samym ośrodku 

załamanie – na granicy ośrodków fala przechodząc do ośrodka, w którym porusza 
się z inną prędkością, zmienia kierunek swego biegu, 

dyfrakcja  –  uginanie  się  fali  na  krawędziach,  czego  skutkiem  jest  zdolność  do 
omijania  przeszkód  mniejszych  niż  długość  fali,  oraz  powstawanie  pasków 
dyfrakcyjnych po przejściu fali przez wąską szczelinę albo przeszkodę; 

interferencja  –  nakładanie  się  spójnych  fal  z  różnych  źródeł,  które  prowadzi  do 
wzmocnienia lub wygaszenia się fal; 

dudnienie – oscylacje amplitudy fali; 

rozszczepienie  –  załamanie  fal  pod  różnymi  kątami,  zależnie  od  ich  długości, 
powoduje rozkład fali na fale składowe, np. rozszczepienie światła w pryzmacie. 

3.  Rodzaje fal: 

a)  Fala  podłużna  –  fala,  w  której  kierunek  drgań  cząstek  ośrodka  jest  zgodny  z 

kierunkiem rozchodzenia się fali. 

b)  Fala  poprzeczna  –  fala,  w  której  kierunek  drgań  cząstek  ośrodka  i  kierunek 

rozchodzenia się fali są prostopadłe względem siebie. 

c)  Fala dźwiękowa - podłużna fala mechaniczna o częstotliwości z zakresu od ok. 20 

Hz  do  ok.  20  kHz.  Fale  o  częstotliwości  wyższej  nazywamy  ultradźwiękami,  a 
niższej infradźwiękami. 
 

background image

 

4.  Równanie fali: 

 (    )         (

  

 

   

  

 

     ) 

 

 (    )      (           ) 

 

 

Legenda: 

 

A – amplituda fali, 

 

T – okres drgań, 

 

λ – długośd fali, 

 

ω – częstośd kołowa zwana krótko częstością lub pulsacją fali, , 

 

k – liczba falowa,  

 

φ – faza początkowa. 

 

 

5.  Definicja oscyloskopu: 

 

 

Oscyloskop – przyrząd 

elektroniczny

 służący do obserwowania, obrazowania i 

badania przebiegów zależności pomiędzy dwiema wielkościami  elektrycznymi,  bądź 
innymi 

wielkościami fizycznymi

 reprezentowanymi w postaci elektrycznej.

 

Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Oscyloskop 

 

Składa się z czterech głównych bloków funkcyjnych, którymi są: 

 

a) wyświetlacz 

 

b)  układy odchylania pionowego (odpowiednio wzmacniają lub osłabiają badany 

 

 

sygnał), 

 

c) układ odchylania poziomego – podstawy czasu (wyświetla zmiany badanego  

 

 

napięcia w czasie) 

 

d) układ wyzwalania – trigger (synchronizuje podstawę czasu ze zmianami badanego 

 

napięcia). 

 

6.  Przebieg doświadczenia:  

Zapoznano  się  z  zestawem  eksperymentalnym,  zasadami  jego  działania  i  parametrami 
poszczególnych  przyrządów.  Połączono  obwód  eksperymentalny.  Zbiorniczek  nad 
przetwornikiem  napełniono  wodą  destylowaną.  Częstotliwość  generatora  ultradźwięków 
wybrano  z zakresu 1,0-2,5MHz  i wyniosła ona 2MHz.  Przy pomocy śruby  mikrometrycznej 
przesuwano górną głowicę tak, aby uzyskane na  ekranie oscyloskopu krzywe Lissajous były 
odcinkami. Odczytano i zapisano te położenia śruby mikrometrycznej zarówno dla odcinków 
nachylonych w lewo (/) jak i dla tych nachylonych w prawo (\). Sporządzono roztwory NaCl 
w wodzie destylowanej o rożnych stężeniach np. 20%, 16%, 11% i 5%. Dla każdego roztworu 
przeprowadzono pomiary w analogiczny sposób jak dla wody destylowanej.  

 

 

 
 

background image

 

II OPRACOWANIE WYNIKÓW 
 

Niepewność wskazań wagi: 0,01mm 
Częstotliwość sygnału generatora: 2 MHz (nie  wykonywano pomiarów dla innych  
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

częstotliwości) 

Niepewność wskazań częstotliwości generatora: 0,0001MHz 
Natężenie: 5V 
Niepewność wskazań natężenia: 0,01V 
 

1.  Stężenie 0% 

 

Tabela 1 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wykres 1

 

 
 
 
 
 

Obliczanie długości fali  : 

   

 
 

      

 
 

                          

Niepewność wyników: 

 

 

   √

 

     

 

 

 

 

 
 

  

 

    ∑

 

 

 

   

 

   

 

   

  ∑

 

 

  (∑

 

 

   

)

 

 

   

           [  ] 

y = 0,3853x + 0,0732 

R² = 0,9973 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Nr  
pomiaru 

Położenie  
śruby [mm] 

 1 

0,12 

0,49 

1,37 

1,75 

2,12 

2,49 

2,87 

3,24 

3,62 

10 

3,99 

11 

4,36 

12 

4,74 

13 

5,11 

14 

5,49 

15 

5,86 

16 

6,23 

17 

6,61 

18 

6,98 

19 

7,35 

20 

7,73 

21 

8,11 

22 

8,47 

background image

 

 

 

   

 

 

 

 

   

 

            [  ] 

 

Wynik: 

    (               )   

 
Obliczanie prędkości fali: 

                  

  

        

 

 

 

      

 

 

 

 
Niepewność wyniku: 

          

 

        

 

               

  

[

 

 

]          [

 

 

 

Wynik: 

    (                 )

 

 

 

2.  Stężenie 5% 

Tabela 2 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wykres 2

 

 
 
 
 
 
 

 
 
 
 

y = 0,4007x + 0,1162 

R² = 0,9976 

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Nr  
pomiaru 

Położenie  
śruby [mm] 

0,18 

0,57 

1,45 

1,85 

2,24 

2,64 

3,02 

3,41 

3,79 

10 

4,19 

11 

4,57 

12 

4,97 

13 

5,35 

14 

5,74 

15 

6,13 

16 

6,52 

17 

6,91 

18 

7,29 

19 

7,73 

20 

8,08 

21 

8,46 

22 

8,85 

background image

 

Obliczanie długości fali  : 

   

 
 

      

 
 

                       

 
Niepewność wyników: 
 

 

 

   √

 

     

 

 

 

 

 
 

  

 

    ∑

 

 

 

   

 

   

 

   

  ∑

 

 

  (∑

 

 

   

)

 

 

   

          [  ] 

 
 

 

 

   

 

 

 

 

   

 

          [  ] 

 

Wynik: 

    (               )   

 
Obliczanie prędkości fali: 

                 

  

        

 

 

 

      

 

 

 

 
Niepewność wyniku: 

          

 

        

 

              

  

[

 

 

]         [

 

 

 

Wynik: 

    (               )

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

3.  Stężenie 11% 

 

 

Tabela 3 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wykres 3

 

 
 

 
Obliczanie długości fali  : 

   

 
 

      

 
 

                           

 
Niepewność wyników: 
 

 

 

   √

 

     

 

 

 

 

 
 

  

 

    ∑

 

 

 

   

 

   

 

   

  ∑

 

 

  (∑

 

 

   

)

 

 

   

        [  ] 

 
 

 

 

   

 

 

 

 

   

 

        [  ] 

 

Wynik: 

    (               )   

 
Obliczanie prędkości fali: 

y = 0,4363x - 0,0615 

R² = 0,9949 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18

Nr 
pomiaru 

Położenie 
śruby [mm] 

0,24 

0,64 

1,05 

1,45 

2,36 

2,76 

3,17 

3,67 

3,98 

10 

4,38 

11 

4,79 

12 

5,19 

13 

5,60 

14 

6,00 

15 

6,41 

16 

6,80 

17 

7,21 

background image

 

                   

  

        

 

 

 

      

 

 

 

 
Niepewność wyniku: 

          

 

        

 

             

  

[

 

 

]        [

 

 

 

Wynik: 

    (               )

 

 

 

 
 

4.  Stężenie 16% 

 

Tabela 4 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wykres 4 

 

Obliczanie długości fali  : 

   

 
 

      

 
 

                           

Niepewność wyników: 

 

 

   √

 

     

 

 

 

 

 
 

  

 

    ∑

 

 

 

   

 

   

 

   

  ∑

 

 

  (∑

 

 

   

)

 

 

   

          [  ] 

 

 

   

 

 

 

 

   

 

         [  ] 

 

Wynik: 

    (               )   

 
Obliczanie prędkości fali: 

y = 0,3893x + 0,9823 

R² = 1 

0

1

2

3

4

5

6

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Nr 
pomiaru 

Położenie 
śruby [mm] 

  1 

1,37 

1,76 

2,15 

2,54 

2,93 

3,32 

3,70 

4,10 

4,49 

10 

4,88 

11 

5,26 

12 

5,65 

background image

 

                   

  

        

 

 

 

      

 

 

 

Niepewność wyniku: 

          

 

        

 

              

  

[

 

 

]         [

 

 

 

Wynik: 

    (                 )

 

 

 

 

5.  Stężenie 20% 

 

 

Tabela 5 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wykres 5

 

 
 
 
 
 
 

 
 
Obliczanie długości fali  : 

   

 
 

      

 
 

                           

Niepewność wyników: 

y = 0,4646x - 0,0742 

R² = 0,9967 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

p

o

ło

że

n

ie

 ś

ru

b

m

ik

ro

m

e

try

cz

n

ej

 [m

m

Nr  
pomiaru 

Położenie  
śruby [mm] 

0,45 

0,86 

1,26 

1,68 

2,08 

2,98 

3,39 

3,80 

4,20 

10 

4,61 

11 

5,02 

12 

5,42 

13 

5,83 

14 

6,24 

15 

6,64 

16 

7,04 

17 

7,95 

18 

8,36 

19 

8,66 

20 

9,07 

21 

9,98 

22 

10,39 

background image

 

 

 

   √

 

     

 

 

 

 

 
 

  

 

    ∑

 

 

 

   

 

   

 

   

  ∑

 

 

  (∑

 

 

   

)

 

 

   

          [  ] 

 

 

   

 

 

 

 

   

 

         [  ] 

 

Wynik: 

    (               )   

 
 
 
Obliczanie prędkości fali: 

                   

  

        

 

 

 

      

 

 

 

 
Niepewność wyniku: 

          

 

        

 

              

  

[

 

 

]         [

 

 

 

Wynik: 

    (                 )

 

 

 

 

Średnia prędkość: 
 

 

  

   

 
 

∑  

 

 

 

   

                         

 

 

 

      

 

 

 

 
Niepewność wyniku:  
 

 

 

  

 

 
 

√(∑  

  

 

 

   

)

 

 

 
 

√(     )

 

  (    )

 

  (    )

 

  (     )

 

 

 

       

 

 

 

 

Wynik: 

 

  

  (                 )

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

 
 
 
Wykres zależności prędkości fali od stężenia roztworu: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wykres 6

 

 

III WNIOSKI 

 
 

Średnia prędkość rozchodzenia się fali, tablicowa wynosi 1540m/s. Otrzymany wynik 

jest  wyższy  i  nie  mieści  się  w  granicach  błędu.  Powodem  takiej  sytuacji  może  być 
niedokładne sporządzenie roztworów, lub błędy w odczytach na śrubie mikrometrycznej.  
 

Na wykresie 6 widać że wynik prędkości fali jest obarczony błędem. Prawdopodobnie 

do  pomiaru  został  użyty  inny  roztwór  niż  ten  który  sporządzono  (16%).  Jest  to  możliwe. 
Któraś  z  obecnych  w  laboratorium  osób  mogła  zabrać  naczynko  z  przygotowanym 
roztworem, w wyniku czego doszło do pomyłki. Wynik nie został uwzględniony przy liczeniu 
średniej prędkości fali. 
 

 
IV ZAŁĄCZNIKI 
 

Z1-wstępny plan pracy 
Z2-
kopia wyników pomiarowych 

 

1400

1500

1600

1700

1800

1900

0%

5%

10%

15%

20%

25%

p

ręd

ko

śd

 fa

li 

[m

/s

stężenie roztworu NaCl