Néhány előadási-kísérlet

Gyulai Zoltán
Műegyetemi Kisérleti Fizikai Intézet

1. Rezgéstan. a) Vízszintes és függőleges acéldrótspirális. A spirális 1,5 mm vastagságú acéldrótból készíthető, a spirálmenet átmérője 19 mm volt, a hossz tetszésszerinti lehet. Minél hosszabban van kifeszítve (4-6 m) a hallgatóság előtt, az egyes rezgéstani jelenségek annál jobban szemléltethetők.

A vízszintesen kifeszített acélspirálissal jól szemléltethető jelenségek:

Rugalmas alakváltozás haladása és visszaverődése a rögzített végén (1. ábra).

Álló hullámok különböző hullámhosszak mellett. A gerjesztést egy rugalmas vesszővel vagy acéldróttal szabadkézzel végezzük. Kis gyakorlattal az alaphangtól fel 5-6 felhangig lehet jutni. Ugyancsak az alaprezgésre felhangokat is lehet rávinni. Ez szemmelláthatóan mutatja, hogy egy húr egyszerre többféle rezgést végezhet.

1. ábra. Rugalmas alakváltozás haladása és visszaverődése a rögzített végen.

A függőlegesen (valamilyen állványra) felfüggesztett acélspirális segítségével nagyön jól szemléltethetők a longitudinális hullámoknál fellépő sűrűsödések és ritkulások. A rezgést azáltal tesszük láthatóvá, hogy rajzpapírból 5-8 cm átmérőjű körlapokat rögzítünk a spirálisok közé egyenletesen kb. 6-8 cm távolságra. A rezgést újra szabadkézzel gerjesztjük, legkönnyebben egy elhasznált acélfűrészlappal. Itt is lehet szemléltetni egy rugalmas impulzus haladását és a rögzített végén a visszaverődését. Ugyancsak több hullámhossz állítható elő és a csomópontokat a nyugalomban maradó papírdarabok jól szemléltetik. Kellő gyakorlattal 2 m hosszú spirálison 2-3 csomópont állítható elő. A kísérlet jól kihasználható arra a célra, hogy a longitudinális hullámoknál a mozgás- és nyomásváltozást külön vegyük figyelembe. Ahol nagy az elmozdulás, ott a papírlemezek távola nem változik, tehát ott nincs sűrűsödés, azaz nyomásváltozás, ahol pedig a papírlemezek szinte állanak, ott a szomszédok összesűrűsödnek, tehát ott a mozgásnak csomópontja, a nyomásváltozásnak pedig maximuma van.

b) Polározás. Didaktikai szempontból egyik legnehezebb feladat a fénynél a polározás megértetése. Ha azonban sikerül ezt a jelenséget mechanikai rezgéseken szemléletessé tenni, akkor már az optikában is lényegesen könnyebb dolgunk van.

Erre szolgál a következő kísérlet: Kifeszített kötelet tranzverzális rezgésekbe hozunk olymódon, hogy a kötelet egy excentrikusan átfúrt, golyós-csapágyba ágyazott korongön húzzuk át, melyet egy motor hajt (2/a ábra). Ha a kötél bizonyos idő múlva felvett egy meghatározott rezgési alakot, alkalmazzuk a »polárizátor«-t. Ez két fadarabból állhat, melyekkel a kötél rezgéseit különbözőképpen befolyásolhatjuk. Ilyen módon szépen szemléltethető a polarizáció síkjának az elfordulása (2/b ábra).

c) Kundt-cső. Ez közismert kísérlet. Hengeres vízszintes üvegcsőben parafareszelék van. A hengerbe parafadugón keresztül üvegrúd nyúlik. Ha az üvegrudat pl. egy nedves szövetdarabbal megdörzsöljük, sivító hangot ad és a hangrezgések. hatására az üvegcsőben állóhullámok keletkeznek, melyeket a parafareszelék elhelyezkedése szemléltet. Szépen láthatók a csomópontok is, úgy hogy, a hangrezgések száma a lemért hullámhosszból és hangterjedéssebességből ki is számítható.

A bemutatás szerint: az üvegrúd helyett célszerű 2 m hosszú, 10-15 mm átmérőjű ezüstacélrudat használni. Befogásra igen alkalmas egy jó közepes satu. Kiderül, hogy a rezgések keltése sokkal könnyebb, nem beszélve arról, hogy a rúd nem is törik el, ami az üvegrúddal könnyen előfordul.

Látható, hogy egy acélspirálissal és egy Kundt-csővel a rezgéstannak úgyszólván minden alapjelensége szemléltethető. Ezek tehát olyan - nem túldrága - eszközök, melyekkel minden iskolát érdemes ellátni. Acélspirális készíthető bárhol, ahol esztergapad van.

d) Doppler-hatás. A Doppler-hatás tanításánál hagyományos a közeledő és távolodó mozdony sípjának a hangjára hivatkozni. Vízhullámokon a Dopplerhatás éppúgy szemléltethető, mint a hullámok egyéb viselkedése. A Dopplerhatáshoz a víz felületén mozgatni kell a hullámkeltő csúcsot. Egyszerűbb azonban a vizet áramlásban tartani, mert vetítés esetén a csúcs így nem megy ki a látómezőből.

2. ábra. Kísérleti berendezés a polározás mechanikai szemléltetésére.

Folytonos vízsugarat akár közvetlenül a vízvezetéki csapból, akár valamely megfelelő magasságban elhelyezett edényből gumi- és üvegcsövön keresztül állíthatunk elő. A vízsugarat ívlámpa fényével világítjuk meg és kivetítjük. Ha most egy vékony üvegszálat vagy csúcsot állítunk akadályként a vízsugár útjába, az ernyőn azt látjuk, hogy a vízsugár felülete hullámos lesz. Azért lesz hullámos, mert az üvegcsúcs (fogpiszkáló csúcs is jó) a víz felületén kapilláris zavart okoz, ami az áramló felületen hullámként terjed tovább. Tehát egy hullám szembe, egy pedig a vízáramlás irányába halad. A szemben haladó hullám hossza össze lesz nyomva (a hangtanban a hang magasabb lesz), az áramlás irányában haladó pedig meg lesz nyújtva, azaz hangtanilag alacsonyabb hangot hallunk. Itt tehát a hullámok hosszúságának a megváltozása direkt megfigyelhető. A kísérlet még szebben állítható elő egy lapos edényben, ha ott víz áramlik és egy rezgő csúccsal felületi vízhullámokat hozunk létre.

2. Örvények szemléltetése füstkarikákkal. Kb. 30 cm hosszú és 15-20 cm átmérőjű hengeres doboz egyik végén pergamenttel el van zárva, a másik végén kb. 4 cm átmérőjű környílás van. Ebbe üvegcsövön át cigarettafüstöt fújunk. Ha a pergamenre ütünk ujjunkkal, a köralakú nyíláson a füst karikák alakjában távozik. A karikákon a forgás is jól megfigyelhető, jelezve, hogy a levegőnek a nyílás falához való surlódása következtében keletkeztek az örvények.

3. Konvekciós hőáramlás gázokban és folyadékokban. Ennek a kísérletnek a bemutatására legalkalmasabb egy olyan üvegfalú edény, amelynek a feneke pléh, melyet kis lánggal (gyufa) melegíteni lehet. A kísérlet azonban akkor is sikerül, ha az üvegedény aljára izzó drótokon - egy pontban pár körmenet, - vezetjük a hőt. Ha most az edényt megtöltjük cigarettafüsttel, a kivetített képen szépen látható a hirtelen felszálló füstoszlop, mutatván a levegőáramot.

Folyadékok részére ugyanez az edény használható. Vízbe káliumhypermanganát kristályokat szórunk és engedjük, hogy ez nyugodt vízben az alsó folyadékréteget megfesse. Az edény alját gyufával melegítve, vagy egy kis drótspirálist elektromos árammal melegítve, igen szépen felszálló festett vízoszlopot láthatunk. Egy ilyen üvegedény optikai kísérleteknél is nélkülözhetetlen.

4. Schlieren¹-jelenség és lángok diamágnessége. A kísérlet bemutatása két célt szolgál. Egyik az, hogy bemutassuk a Schlierennek egyszerű eszközökkel való megvalósítását, amit sokszor lehet használni, a másik az, hogy egy egyszerű kísérletet, amelyik újabban kiment a divatból (nyilván a nem elégséges értelmezés miatt), most a helyes értelmezéssel újra használhatóvá tegyen. Közismert dolog, hogy egy gyertya lángja egy kis elektromágnes sarkai között szétnyomódik, mintegy szarvakat kap, azaz a láng a mágneses térből kitolódik (3. ábra). Ezt régebben így értelmezték, hogy a láng diamágneses. A láng nem test, hanem gázkeverék, tehát nem lehet róla mint testről beszélni. Ellenben kérdés, hogy miért tolódik ki a láng a mágneses térből. Ennek oka az, hogy a levegő oxigénjét, amelyik erősen paramágneses, a mágnes behúzza a mágnestérbe és az ide betóduló hideg oxigén nyomja ki a gyertya lángját a mágnestérből. Hogy ez tényleg így van, a kísérletet meg lehet csinálni tisztán levegővel is. Ennélfogva a gyertya helyére egy kis drótspirálist teszünk, amit elektromos árammal izzítunk. Az izzó drótról meleg levegő fog felfelé áramlani. A mágnest bekapcsolva felszálló légáram két részre szakad. Ugyanis a levegő nitrogénje diamágneses, az oxigén paramágneses. Az oxigén paramágnessége azonban magasabb hőmérsékleten csökken. Így a mágnestér a környezetből a hidegebb oxigént vonzza be a térbe, amelyik onnan a meleg oxigént kitolja.

3. ábra. A Schlieren-jelenség és a lángok diamágnességének demonstrálása

Ezt a folyamatot láthatóvá lehet tenni ú. n. Schlieren-módszerrel. Ez abban áll, hogy a mágnestől jobbra, kb. 5-6 méterre felállítunk egy ívlámpát, vagy más pontszerű erős fényforrást (erős autópontlámpát) és ennek fényével a baloldalon ugyancsak 5-6 méterre levő fehér ernyőre árnyékot vetünk. Az árnyékban a meleg levegő jól látható lesz, amint a feláramló meleg levegőt megfelelő világítás mellett, kályhák vagy tűz felett is gyakran látjúk. A láthatóság oka az, hogy a törésmutató és sűrűség változik a hőmérséklettel. A mágnes sarkai közül tehát a nagyobb szuszceptibilitás miatt az oda erősebben beáramló oxigén a melegebb levegőt kinyomja. Hogy oda tényleg több oxigén áramlik be, azzal is láthatóvá lehet tenni, hogy egy égő taplódarabkát tartunk a mágnes sarkai közé. Ha a mágnest gerjesztjük, a tapló erősebben ég.

A Schlierennek ez a megvalósítása gyakran jól használható a tanításban. Pl. igen szépen mutatja egy gyertyáról feláramló légáramot. A gyertyaláng a mágnes sarkai között mutatja, hogy a gázoknak is van mágneses tulajdonságuk, azután azt, hogy az oxigén paramágnessége magas hőmérsékleten csökken, tehát a hőmérséklet szerepét az anyagok mágneses viselkedésében.

A Schlieren érzékenységét mutatja, hogy ha kezünket középre helyezzük, az ernyőn a kezünkről felszálló meleg levegőáramot is láthatjuk.

______________________