Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Лабораторный практикум
.pdf
31
6. По данным измерения периода колебаний определите величину уско-
рения свободного падения.
7. Сделайте вывод по данному заданию.
Задание №2. Исследование зависимости периода колебаний однородного
стержня (физического маятника) от положения точки подвеса.
1. Измерьте длину стержня.
2. Найдите экспериментально центр масс стержня.
3. Разметьте стержень так, чтобы точка подвеса имела как минимум 10
положений от центра масс до края стержня.
4. Для каждой из точек подвеса определите периоды колебаний с малой
амплитудой, измеряя время 20-30 колебаний. Найдите экспериментально
хотя бы пару точек подвеса с одинаковыми периодами.
5. На одной координатной плоскости постройте экспериментальный и
теоретический графики зависимости Т(х). Для теоретического графика используйте данные об ускорении свободного падения.
6. Сделайте вывод по данному заданию.
Контрольные вопросы
1. Можно ли с помощью используемых в эксперименте маятников опре-
делить разницу ускорений свободного падения, измеренных на Северном
полюсе и на экваторе?
2. По данным лабораторной работы определите, какой длины надо взять
нить математического маятника, чтобы его период колебаний был таким
же, как период колебаний используемого физического маятника.
Лабораторная работа №11. Запись звука
Цель: изучить принцип работы звукозаписывающих устройств, ис-
следовать полученные графики.
Оборудование: компьютер, микрофон, блок подключения к компью-
32
теру «L-микро», датчик звука «L-микро» (микрофон), камертон.
Ход работы:
1. Изучите принцип работы звукозаписывающих устройств.
Рассмотрим принцип работы цифроаналогового (ЦАП) и аналогоцифрового (АЦП) преобразования.
Входной цифровой код поступает на вход ЦАП. Каждый разряд кода
управляет выключателем, который подает на вход усилителя напряжение
(ток) своего уровня. Суммарное напряжение на выходе усилителя представляет собой ступенчатый сигнал. После сглаживания выходного сигнала
с помощью фильтра на выходе ЦАП появляется выходной аналоговый
сигнал, который в точности соответствует тому, который был закодирован
в цифровом коде.
Аналого-цифровой преобразователь преобразовывает входной аналоговый
сигнал — речь или музыку — в цифровой код. Конструктивно такой АЦП
— это тот же ЦАП, на вход которого подается от двоичного счетчика последовательность кодов от 0 до максимально возможного значения, и выходной сигнал АЦП сравнивается с входным аналоговым с помощью компаратора. Когда эти два сигнала оказываются равны, то значение счетчика
33
в момент срабатывания компаратора является цифровым кодом, соответствующим данному уровню напряжения входного аналогового сигнала.
2. Соберите установку, состоящую из датчика звука «L- микро»(микрофон), блока подключения к компьютеру «L-микро», и компьютера. Откройте программу «L-физика», раздел «датчики», «датчик звука».
3. Рассмотрите регистрацию входного звукового сигнала на графике.
Отметьте, что уровень напряжения, регистрируемый на графике,
зависит от громкости входного сигнала.
4. Запишите и сравните звуки, различные по своим характеристикам:
1) Запишите звук камертона, получите графическое изображение записы-
ваемого звука;
2) запишите человеческий голос;
3) исследуйте полученные графики.
4) Графическое изображение разных звуков отличается друг от друга.
Звуковые колебания камертона будут являться затухающими (т.к. звук от
камертона представляет собой «чистый тон»), а звуковые колебания голоса
34
человека имеют вид суммы колебаний с различной частотой (т.к. голос каждого человека имеет свой тембр, свою частоту).
5 Зарисуйте полученные графические изображения разных звуков. Проанализируйте зависимость, амплитуды и частоты колебаний, от громкости
и высоты звучания голоса и звука камертона.
Контрольные вопросы
1. Что такое тембр?
2. От какой физической характеристики колебаний зависит высота
звука, громкость?
3. Как преобразуется аналоговый сигнал в цифровой и наоборот?
Лабораторная работа №12. Определение скорости звука в воздухе
методом акустического резонанса
Цель: измерение скорости звука в воздухе методом акустического ре-
зонанса.
Оборудование: звуковой генератор, телефон, стеклянные трубки со-
единенные резиновым шлангом, микрофон, шкала для отсчета, капельница, осциллограф.
Краткая теория
В данной работе в качестве акустической системы, в которой возбуждают звуковые волны определенной частоты, используют столб воздуха,
заключенный в стеклянной трубе. В верхней части этой трубы закреплены
телефон, подключенный к звуковому генератору и являющийся источником звуковых волн, и микрофон, принимающий отраженную волну.
Определение скорости распространения звуковой волны в данной работе производится методом стоячей волны. Бегущая и отраженная волны,
при определенных условиях налагаясь друг на друга, образуют узлы и
пучности.
35
2
п
nl
2
пу
ll
V
l
п
l
у
l
I
II
III
IV
Источник
звука
Жесткая отражающая
поверхность
Точки, где амплитуда достигает максимального значения, называются
пучностями. Координаты пучностей определяются условием
(21)
Точки, где амплитуда колебаний в любой момент времени обращается в
нуль, называются узлами. Координаты узлов имеют следующие значения:
(22)
Из формул (21) и (22) следует, что расстояние между соседними узлами,
так же как и расстояние между соседними пучностями равно:
(23)
В лабораторной работе возникновение акустического резонанса определяется по резкому усилению амплитуды на осциллографе.
При наложении прямой волны, излучаемой телефоном, и обратной
волны, отраженной от раздела с более жесткой, чем газ, жидкостью, возможно возникновение акустического резонанса, если частота излучаемой
телефоном волны совпадает с одной из собственных частот колебаний га-
36
c
cn
L
4
12
2l
lc 2
hl
зового столба. При этом в системе возникает стоячая волна, узел которой
расположен на границе раздела воздух-жидкость, а пучность – на свободном верхнем конце трубки.
Длина стоячей волны связана с длиной воздушного столба:
(24)
Из выражения
и (4) следует, что при неизменной частоте зву-
ковых волн акустический резонанс возникает только при длинах воздуш-
ного столба в трубке
следовательно расположенными максимумами
. При этом расстояние между двумя по-
. Следовательно,
(25)
Ход работы:
1. Включите звуковой генератор и подключите к нему телефон. Устано-
вите частоту генератора в соответствии с указаниями учителя.
2. Медленно поднимая или опуская стакан 4, определите длины L воз-
душных столбов, соответствующих максимальной амплитуде на осциллографе. Измерения произвести 5 раз для каждой заданной частоты ν.
3. Вычислить расстояние между соседними максимумами
. Найти
среднее значение этого расстояния. По формуле (25) найти скорость звука
для каждой частоты.
4. Оценить величину относительной и абсолютной погрешности при на-
хождении скорости звука.
5. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 13.
37
№ опыта
Частота
ν(м)
Длина
L(м)
Расстояние
l(м)
Длина
волны λ(м)
Скорость
υ(м/с)
Таблица 13
6 Сравните полученный результат с табличными данными.
Контрольные вопросы
1. На каком явлении основана принципиальная схема установки для изме-
рения скорости звука в воздухе?
2. Что такое пучности?
3. Что такое узлы?
4. На каком явлении основано измерение длины звуковой волны в данном
эксперименте? Предложите свой вариант.
Лабораторная работа №13. Звуковые волны.
Резонанс. Фигуры Хладни.
Цель: исследование условий получения фигур Хладни.
Оборудование: пластина металлическая, смычок, песок.
Краткая теория
Хладни (Хладни, Эрнст Флоренс Фридрих. (Ernst-Florens-Friedrich
Chladni) — выдающийся ученый, прославившийся, главным образом,
своими исследованиями в области акустики) первым предпринял экспериментальные исследования различных акустических явлений, многие из
которых получили теоретическое объяснение значительно позже. В 1787
году он описал фигуры, образующиеся на посыпанной песком поверхности
упругой колеблющейся пластинки. Фигуры Хладни – это фигуры, образуемые скоплением мелких частиц сухого песка вблизи узловых линий на
поверхности упругой колеблющейся пластинки или подобной ей механической системы; каждому собственному колебанию пластинки соответст-
38
вует своѐ расположение узловых линий. При наложении прямой и обратной волны возможно возникновение акустического резонанса. Бегущая и
отраженная волны, при определенных условиях налагаясь друг на друга,
образуют узлы и пучности. Точки, где амплитуда достигает максимального
значения, называются пучностями. Точки, где амплитуда колебаний в любой момент времени обращается в нуль, называются узлами.
В случае круглой пластинки узловые линии могут быть круговыми
или радиальными; в случае прямоугольной или треугольной пластинки они
имеют направление, параллельное сторонам или диагоналям.
Ход работы:
1. Насыпьте тоненький слой песка на пластинку.
2. Проведите смычком по пластинке, так чтоб создать звук и пронаблю-
дайте, как поведут себя крупинки песка.
3. Прикоснитесь пальцем к краю пластины (установите узел на пластин-
ке) и повторите опыт, а затем увеличивайте число узлов.
4. Зарисуйте получаемые картины – фигуры Хладни.
5. Сделайте выводы по наблюдаемым явлениям.
Контрольные вопросы
1. При каких условиях возникает фигура Хладни?
2. Как вы объясните движение мелких частиц сухого песка?
3. Как можно изменить движение мелких частиц сухого песка?
4. Что такое узел и пучность?
Лабораторная работа №14. Определение периода колебаний нитяного
маятника и изучение зависимости его значения от длины нити
Цель: определение периода колебаний нитяного маятника и выявление за-
висимости периода колебаний от параметров маятника (длина, масса).
39
масса
m
(кг)
период
T
(с)
длина
L
(м)
период
Т
(с)
Оборудование: набор «Механика»: нитяной маятник, оптоэлектрический
датчик, связанный с измерительным блоком ПК, линейка.
Краткая теория
Ускорение можно представить как сумму двух ускорений: ац (направлено к центру) и at (направлено по касательной).
Вычислим ускорение а, которое описывает колебательное движение
(именно оно направлено к положению равновесия). Очевидно, что это ускорение создается только тангенциальной составляющей силы тяжести mg:
m at = mgsin α, поэтому получаем для at: at =-gsin α, знак минус появился
из-за того, что ускорение a и ускорение at разных знаков. Так как для малых углов sin α ~ α, то at =-g α, но угол α измеряется в радианах, что по
определению означает: α =x/L (где х - длина дуги, на которую опирается
центральный угол α).
Теперь получаем окончательно: at =-(g/L)x (26)
Расчет показывает, что период колебаний : Т = 2 π√L/g (27)
Ход работы:
1. Приготовьте таблицу 14 для записей измерений и вычислений:
Таблица 14
2. При одной и той же длине маятника выявите зависимость периода ко-
лебаний маятника от массы маятника.
3. При одной и той же массе маятника выявите зависимость периода от
длины маятника.
40
lkF
kxf
m
k
0
4. Запишите выводы.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение периоду колебаний, от чего он зависит?
2. Какую зависимость вы определяете в данной работе?
3. Определите физический смысл тангенциального ускорения?
4. Проанализируйте выполненный опыт.
Лабораторная работа №15 «Зависимость частоты и периода колебания
пружинного маятника от коэффициента жесткости пружины»
Цель: выявление зависимости характеристик пружинного маятника от ко-
эффициента жесткости.
Оборудование: набор «Механика»: пружины с известными коэффициентами жесткости, штатив, набор грузов, оптический датчик с электронным
секундомером, линейка.
Краткая теория
Пружинный маятник – это грузик, подвешенный на пружине. После отклонения от положения равновесия он будет совершать вертикальные гармонические колебания, если упругая пружина такова, что сила деформации пропорциональна величине удлинения пружины (
, где k –
коэффициент упругости).
При отклонении от положения равновесия на величину x появляется
возвращающая сила
и тело начинает колебаться.
– уравнение собственных незатухающих колебаний с частотой ω0:
. (28)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]