Космос у тебя дома
Шрифт:
В звуковых колебаниях и в колебаниях электромагнитных о частоте судят по количеству колебаний в одну секунду. Если скорость распространения колебаний постоянная, то чем больше совершается полных колебаний в одну секунду, тем короче волны. И наоборот, чем меньше колебаний в одну секунду, тем волны длиннее.
Прислушайтесь к свистку локомотива
Когда говорят о звуке, принято говорить не о длине звуковых волн, а о частоте. Чем больше частота, число колебаний в секунду, тем выше звук. При колебаниях с низкими частотами звук ниже.
Случалось ли вам наблюдать, когда вы едете в поезде, как меняется звук свистка локомотива встречного поезда?
Если вы стоите далеко в стороне от железной дороги и слышите свисток локомотива проходящего поезда, то никакого изменения звука вы не обнаружите. Но если вы едете в поезде и слышите свисток встречного локомотива, то обратите внимание, как меняется его тон. Свисток слышится недолго, может быть 2–3 секунды, но и за это короткое время можно уловить, что сначала его звук высокий, а когда встречный локомотив, промелькнув мимо вашего вагона, удаляется от вас, звук становится низким. Получается завывание, похожее на звук «ИУАААА», причем А звучит ниже, чем И.
Звук свистка сам по себе не меняется, но слышите вы его по-разному, когда приближаетесь к нему и когда удаляетесь от него.
Попытаемся понять, почему это так происходит.
Вы едете в поезде со скоростью 60 километров в час.
Навстречу по соседнему пути мчится поезд с такою же скоростью, проезжая мимо вас, его локомотив свистит. Для простоты предположим, что свистящий локомотив стоит на месте, а ваш поезд приближается к нему со скоростью 120 километров в час. Для наших рассуждений это одно и то же. Звуковые волны от свистка локомотива движутся во все стороны. Они идут и к вам, конечно, с одинаковой скоростью, а вы мчитесь им навстречу. Если бы вы стояли на месте, к вам дошло бы за секунду, предположим, 1000 волн, но поскольку вы сами быстро движетесь им навстречу, то за одну секунду вы «ловите» уже не 1000, а гораздо большее количество волн, ну, предположим, 1200. Чтобы им «поместиться» в одной секунде, волны стали короче, а частота колебаний, следовательно, увеличилась. Теперь за секунду совершается не 1000, а 1200 колебаний. А звук с увеличением частоты всегда становится выше, поэтому звук свистка для вас становится более высокого тона, чем на самом деле у источника звука.
Когда же вы, проехав мимо свистящего локомотива, будете быстро удаляться от него, то за одну секунду вы теперь получите меньшее количество звуковых волн. Значит, частота звука уменьшилась и тон звука понизился.
Помните, что все это происходит только в движении, когда вы с большой скоростью либо едете навстречу звуку, либо убегаете от него.
Изменение частоты колебания волн, когда наблюдатель и источник волн движутся либо навстречу друг другу, либо в разные стороны друг от друга, названо «эффектом Доплера», по имени австрийского физика и астронома Христиана Доплера. Он первый открыл и объяснил это явление в 1842 году.
Эффект Доплера на рисунках
Эти опыты являются только «живыми» картинками, иллюстрирующими эффект Доплера. Модели и опыты, проделанные на этих моделях, условны, как и схема и рисунки, изображающие волновые процессы. Только вы увидите не неподвижное изображение в виде рисунков или чертежей, а меняющиеся на ваших глазах изображения.
Моделей будет две. Одна очень простая, на ней «волны» будут только сжиматься, а следовательно, их частота увеличиваться. Вторая, более сложная модель даст нам возможность наблюдать, как происходит и сжатие «волн» и их удлинение.
Для первой модели возьмите кусок плотной рисовальной бумаги размером 20х25 сантиметров и начертите на ней черной тушью полоски длиной примерно 15 сантиметров и шириной 0,5 сантиметра. Промежуток между полосками сделайте такой же ширины — 0,5 сантиметра. Расстояние, которое занимает черная и белая полоски, будет у нас означать длину волны, одно полное колебание.
На другом куске бумаги (можно немного меньшего размера) сделайте посередине вертикальное окошко размером 1,5x3,8 сантиметра.
Возьмите в левую руку листочек с «волнами», а в правую листок с окошечком. Смотрите сквозь окошечко на расположенные вертикально «волны» и начните быстро двигать листочки навстречу друг другу. Движения обеих рук должны быть очень быстрыми. Тогда в окошечко вы увидите, как наши «волны» стали уже. Опыт нужно проделывать так, чтобы над листочком с окошечком были видны ничем не загораживаемые черные полоски. Они будут служить вам эталоном для сравнения, и вы ясно увидите разницу в размере «волн» над листочком и в окошечке.
Этот же опыт можно проделать еще проще. Помните, когда у нас был разговор о частоте, мы пользовались расческой? Возьмите расческу и листок бумаги с окошечком и, держа расческу горизонтально в левой руке, а окошко в правой, проделайте те же колебательные движения, но не очень быстро. Лучше этот опыт делать на светлом фоне. Рассматривать нужно ту половину расчески, где зубья крупнее и промежутки больше. При встречных колебаниях расчески и окошка вы увидите в окошко, что зубья и промежутки сузились и стали примерно такими же, как в той половине расчески, где зубья мельче.
А теперь проделайте такой опыт. Нарисуйте на листе бумаги на расстоянии 8 миллиметров друг от друга на одном уровне несколько черных кружков диаметром по два сантиметра.
Возьмите листок с кружочками в левую руку, а листок с окошком в правую и начните быстро двигать листочки навстречу друг другу, как вы это делали и раньше. В мелькающее окошко вы увидите, что черные кружки сузились, превратились в эллипсы, а расстояние между кружками, теперь ставшими эллипсами, тоже сузилось.
Более полный вариант этого опыта можно проделать с помощью электрического проигрывателя или пружинного патефона. Скорость вращения диска должна быть максимальная, то есть 78 оборотов в минуту.
Вырежьте из картона кружок по размеру диска проигрывателя. Если картон не белый, наклейте на него белую бумагу. Разделите кружок на 12 частей и, отступя от края на 1,5 сантиметра, начертите циркулем 12 кружков диаметром 2,2–2,5 сантиметра. Кружки закрасьте черной краской. В центре картонного круга сделайте отверстие и наденьте на диск проигрывателя.
Во втором таком же картонном диске на расстоянии 1,5 сантиметра от края прорежьте, на одинаковом расстоянии друг от друга, 6 отверстий, имеющих форму трапеций: широкое основание — 2,2 сантиметра, узкое —1,5 сантиметра, высота — 2,2 сантиметра. В центре диска сделайте небольшое отверстие. Наденьте на длинный гвоздь маленький картонный кружок, а затем диск с прорезями. Когда вы держите гвоздь вертикально, шляпкой вниз, картонный диск должен легко вращаться, если его крутнуть рукой.