Vlna z lidí: Lom vlny

Pokus číslo: 2069

Pohybová úloha
  • Cíl pokusu

    • Žáci v roli vlnoplochy zažijí vliv rychlosti pohybu v prostředí na směr pohybu

    • Žák pojmenuje důvody změny směru šíření vlny při přechodu přes rozhraní dvou prostředí

  • Teorie

    Lom vlnění na rozhraní dvou prostředí je důsledkem toho, že vlnoplocha je vždy kolmá na směr šíření vlny, což plyne přímo z Huygensova principu. Jedná se tedy o jev vysvětlitelný geometrickou optikou (Obr. 1), což nám umožňuje vpravit žáky do role paprsku.

    Obr. 1: Lom vlny znázorněný geometrickou optikou (Zdroj: Lepil, Oldřich: Fyzika pro gymnázia)

    Řada žáků jdoucích vedle sebe po rovnoběžných trajektoriích nám může reprezentovat svazek paprsků. Jednotnou vlnoplochu vytvoříme tak, že se žáci budou držet za ruce a v žádném případě se v průběhu demonstrace nepustí. Pokud krajní žák z řady bude donucen zpomalit (bod A na obr. 1), nezbude ostatním nic jiného, než změnit směr rychlosti, jelikož velikost rychlosti je pevně dána prostředím. Měnit směr rychlosti pohybu je nutné do doby, než i ostatní žáci narazí na nové prostředí a srovnají tak velikost rychlosti.

    To, že se žáci drží za ruce, nám zaručuje kolmost vlnoplochy, protože dva body ležící na dvou různých rovnoběžkách jsou si nejblíže, pokud jsou na téže vlnoploše. Jelikož mají žáci omezenou délku rukou, nemohou tuto vzdálenost příliš změnit od té nejmenší možné, tj. od té na vlnoploše.

  • Pomůcky

    Dostatečný počet žáků (ideálně 8 a více), lano, dostatečně velký prostor (tělocvična, park apod.)

  • Postup

    Doporučujeme demonstrovat přechod z prostředí s vysokou rychlostí šíření vlny do prostředí s rychlostí nižší.

    Je potřeba, aby se žáci v experimentu dobře zorientovali: Jednotliví žáci jsou paprsky, řada žáků tvoří vlnoplochu. Dokud žáci nepřekročí lano, musí se pohybovat pořád stejnou rychlostí, po přechodu každý jednotlivec výrazně zpomalí. Pohyb v prvním prostředí doporučujeme jako klidnou chůzi, pohyb ve druhém prostředí musí být výrazně pomalejší. Aby se demonstrace podařila, musí se žáci po celou dobu držet za ruce.

    Nejprve sjednotíme chůzi tak, že necháme paprsky dopadat na rozhraní kolmo. V takovém případě se směr paprsků po přechodu rozhraním měnit nebude, pouze celá řada studentů při přechodu lana najednou zpomalí.

    Poté zkusíme nastavit úhel dopadu mezi 30° až 50°. Žáky seřadíme tak, aby mezi prvními, kdo budou nuceni zpomalit, byli statní jedinci, kteří se nepustí a udrží zpomalenou rychlost po přechodu lana (prostředí), přestože je spolužáci budou tahat vpřed. Řada by měla sama po příchodu prvního žáka k lanu měnit směr v důsledku zvyšující se vzdálenosti mezi žáky po zpomalení prvního z nich.

    Pokud se tak nestane, můžeme zvýšit úhel dopadu a zpomalit rychlost šíření ve druhém prostředí.

    Pokud se řada žáků trhá, je na místě je upozornit, že v daném „prostředí“ nesmí měnit velikost rychlosti, ale mohou změnit směr, pokud je to nutné.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od střední školy
Potřebné vybavení: proveditelné s jednoduchými pomůckami
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: delší než 10 minut