일반물리학실험 | 수면파를 이용한 도플러효과

 

 

TIP

 

 

수면파의 전달과정을 살펴보고 파장과 속도를 측정하여 이론식과 비교한다.

 

 

 

수면파 [水面波, water waves]

두 매질 사이의 경계면에서 나타나는 파동으로 경계면에 대해 수평방향으로 진행한다. 일반적으로 물의 운동에서 볼 수 있으며 물입자가 수직방향으로 반복운동하는 성분을 가지고, 수평방향으로 위상변화가 전달된다. 수면의 표면파와 물속의 경계면의 내부파로 이루어져있으며 전파속도는 파장의 제곱근의 값에 비례한다.

 

 

실험 방법

실험1. 수면파의 파장 및 속도의 측정

1) 실험 장치를 구성하고 각 케이블을 연결한다.

 

2) I-CA System를 여결하고 카메라의 화상이 Physicsview를 통하여 전송되는 것을 확인 한다. 이때 카메라가 수조의 가운데 위치에 오도록 설치하여야 한다. I-CA system의 연결은 I-CA System 사용설명서를 참조 한다.

 

3) 수조에 적당한 높이로 물을 채운다. 수면파발생기의 떨개가 작동하지 않을 때 떨개의 아랫부분이 물에 잠기지 않아야한다. EH한 물의 양이 너무 적으면 작동 시 떨개의 아 랫부분이 수면에 닿지 않아 수면파가 발생되지 않을 수 있다.

 

4) Wave Generator 전원을 공급하지 않은 상태에서 레일 n이의 수면파 발생기를 수동으 로 이동하여 수조의 중앙에 오도록 위치한다. 반드시 전원을 off한 상태에서 이동하 여야 하며 전원이 on인 상태에서 무리하게 이동하는 경우 이동장치의 고장 원인이 될 수 있다.

 

5) Wave Generator의 Main Power switch를 on한다.

6) Wave Generator의 이동속도 조정단자를 이용하여 초기 상태는 5로 되어있는 이동속 도를 0이 되게 한다.

 

7) Wave Generator의 램프 스위치를 on한다.

 

8) Wave Generator의 구동스위치를 눌러 수면파발생기를 작동시킨다. 구동스위치는 누르 는 순서에 따라서 stop-run-back을 반복한다. 각각의 상태는 Wave Generator상의 display window를 통하여 확인 할 수 있다.

 

9) 수면파가 이상 없이 발생되는지를 확인한다. 수면파의 세기가 너무 작거나 큰 경우에 는 Wave Generator의 수면파세기 조절단자를 이용하여 조절한다. 수면파의 세기가 너 무 큰 경우 수면파에 노이즈가 많이 발생하여 수면파가 매끄럽게 생성되지 않으며 또 너무 작은 경우에는 측정이 어렵게 된다.

 

10) I-CA System를 통하여 모니터로 수조에 발생된 수면파를 관찰한다. 이때 수면파가 잘 보이도록 카메라의 밝기값(iris)을 조절한다.

 

11) I-CA System의 카메라정렬과 좌표계 설정을 한다.

 

12) Wave Generator의 주파수 조정단자를 이용하여 수면파의 주파수를 변화하면서 동영 상을 캡쳐한다. 이때 수면파의 주파수는 10～15사이가 가장 잘 측정된다.

 

13) 블록을 이용하여 물의 깊이를 다르게 하여 각각의 주파수에 대하여 실험한다. (물의 깊이에 따라 수면파의 속도가 어떻게 바뀌는지 측정한다.)

 

14) 수면파의 파장과 속도를 측정한다. 측정은 Physics view의 측정모드를 이용한다.

 

15) 수면파의 파장과 주파수, 속도와의 관계가 이론과 일치하는지 확인한다. 예) 파장의 측정

 

16) 수면파의 특성상 수면파는 작은 노이즈에도 쉽게 그 효과가 나타나므로 어느 두 지 점을 파장으로 선택해야 하는지 신중해야 한다.

17) 수면파의 속도를 구할 때는 프레임을 하나씩 이동하면서 수면파가 이동하는 것을 관 찰하여 관심을 가졌던 수면파가 이동 후 어느 지점에 있는지 정확하게 분별할 수 있 어야 속도를 측정할 수 있다.

 

실험 2. 수면파를 이용한 도플러 효과

1) 수면파의 속도 및 파장실험의 1)～11)을 반복한다.

1) Wave Generator를 통해 주파수와 속도를 결정하고 시작버튼으로 수면발생기가 이동하 면서 파형이 만들어 지는 것을 확인한다. 이 때 시각적으로 도플러 효과가 관측되어야 한 다(필요시 진폭이 stroke time을 조정한다). 수조의 수평이 맞지 않아 수조의 깊이가 다 른 경우에도 수면파가 제대로 발생되지 않을 수 있다. 이때는 수조 하단에 있는 수편조정 나사를 이용하여 수평을 조절한 후 다시 실험한다.

 

2) 이상없는 수면파를 이용하여 도플러 효과각 시각적으로 관측이 되면 I-CA System을 이 용하여 캡처 버튼을 누르고 캡처를 시작한 후 Wave Generator를 이용하여 수면파 발생 기를 RUN상태로 한다.

 

3) 수면파 발생기의 운동이 캡처되었으면 캡처 정지버튼을 클릭한다.

 

4) 측정모드를 통하여 수면파발생기의 이동속도, 이동방향, 전후의 파장을 측정한다.

 

5) 수면파의 속도는 미리 측정해 놓은 것이 좋다(진동수에 상관없이 일정).

 

6) 주파수와 이동속도를 변화하면서 실험을 반복한다. 주파수는 12～16,속도는 2～5사이가 가장 잘 관측된다.

 

 

 

[일반물리학실험]수면파를 이용한 도플러효과 레포트