Министерство транспорта Российской федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

_____________________________________________________________________________________

С. А. ГЕЛЬВЕР

колебания и волны

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний к выполнению

лабораторных работ по физике

Омск 2008

УДК 53 (076.5)

ББК 22.2я73

А84

Колебания и волны: Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике / С. А. Гельвер, В. А. Исаков, В. П. Нестеров, С. Н. Смердин; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008. 38 с.

Методические указания включают в себя описание восьми лабораторных работ по колебательным и волновым процессам в физических системах. Содержат краткие теоретические сведения в соответствии с программой курса физики технических вузов и описание методики проведения каждой лабораторной работы.

Предназначены для студентов второго курса всех факультетов очной формы обучения.

Библиогр.: 5 назв. Табл. 13. Рис. 11.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. Е. Митрохин;

канд. техн. наук, доцент Н. А. Иванов.

_________________________

©Омский гос. университет

путей сообщения, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 15

Лабораторная работа 1. Незатухающие колебания (математический

маятник) 16

Лабораторная работа 2. Незатухающие колебания (пружинный маятник) 18

Лабораторная работа 3. Сложение колебаний 110

Лабораторная работа 4. Затухающие электрические колебания 113

Лабораторная работа 5. Вынужденные электрические колебания 117

Лабораторная работа 6. Волновые свойства света 121

Лабораторная работа 7. Явление поляризации света 129

Лабораторная работа 8. Оптический спектр атомов 132

Библиографический список 137

ВВЕДЕНИЕ

Практикум по физике колебаний и волн является обязательной формой изучения раздела «Колебания и волны» в курсе общей физики, позволяющей подробнее ознакомиться с физическими явлениями, приборами, а также с основными методами физических измерений. Данные методические указания стали обобщением многолетней работы кафедры физики и химии со студентами дневного и заочного обучения Омского государственного университета путей сообщения и соответствуют программе курса общей физики для технических вузов.

Методические указания содержат описание восьми лабораторных работ. В каждой работе представлены краткие теоретические сведения, которые помогут понять общность колебательных и волновых процессов независимо от их физической природы. Более подробно теоретический материал разделов «Колебания и волны», «Оптика» изложен в учебниках [1 – 3], в методических указаниях [4, 5].

При изучении физических закономерностей важным является их экспериментальное исследование. Лабораторные работы по физике помогут подробнее изучить некоторые физические явления и ознакомиться с физическими приборами, получить практические навыки применения основных методов точных физических измерений.

При подготовке к выполнению лабораторной работы студенты должны заранее (в часы, отведенные для самостоятельной работы) изучить теорию к данной работе по учебнику и конспекту лекций, записанному на лекционных занятиях, и порядок ее проведения по данным методическим указаниям.

При подготовке к лабораторной работе необходимо записать в рабочую тетрадь (отчет) название работы и цель ее проведения, рабочие формулы с расшифровкой входящих в них величин и формулы для расчета погрешностей, начертить таблицы для записей результатов измерений.

После допуска к выполнению лабораторной работы необходимо ознакомиться с принципом действия приборов, схемой установки и приступить к выполнению лабораторной работы. Результаты измерений записываются в таблицы, которые проверяются и визируются преподавателем. По результатам измерений в рабочей тетради приводятся:

1) таблицы измерений;

2) расчеты искомых величин и подсчет погрешностей;

3) записи конечных результатов вычислений в стандартном виде в соответствии с правилами округления;

4) вывод (краткий анализ полученных результатов и погрешностей, сравнение с табличным значением и т. п.).

Навыки, полученные студентами в физической лаборатории при пользовании измерительными приборами и обработке результатов, пригодятся им в процессе дальнейшего обучения и самостоятельной работы.

Лабораторная работа 1

Незатухающие колебания (математический маятник)

Ц е л ь р а б о т ы: определить ускорение свободного падения (напряженность гравитационного поля Земли) с помощью математического маятника.

П р и б о р ы и п р и н а д л е ж н о с т и, и с п о л ь з у е м ы е в работе: математический маятник, секундомер, измерительная линейка.

1.1. Описание лабораторной установки

Математическим маятником называют идеализированную колебательную систему, состоящую из невесомой и нерастяжимой нити, на которой подвешено тело, которое можно рассматривать как материальную точку.

Лабораторная установка представляет собой штатив, в верхней части которого крепится нить. К нижнему концу нити привязан металлический шарик.

1.2. Краткие теоретические сведения

Одним из основных параметров колебательных систем является период колебаний T, который может быть определен экспериментально по числу колебанийN, совершенных за время t_N, по формуле:

. (1)

Для математического маятника длиной l

, (2)

где g– ускорение свободного падения или напряженность гравитационного поля Земли.

1.3. Задание

Измерить длину маятника l, времяt_N,_,за которое маятник совершаетNполных колебаний, и определить ускорение свободного падения по уравнению:

. (3)

1.4. Порядок выполнения работы

1) Записать в тетрадь рабочую формулу (3) для вычисления ускорения свободного падения.

2) Измерить длину lмаятника от точки подвеса до центра тяжести шарика, определить инструментальную погрешность измерения длиныΔl_ини записать результаты измерения в табл. 1.

3) Отклонить маятник от положения равновесия на расстояние не более 10 % от длины маятника (в этом случае колебания маятника можно считать гармоническими). Отпустить маятник и измерить с помощью секундомера время t_Nсовершения маятникомNколебаний (Nзадается преподавателем).

4) Результаты измерений t_NиN, а также инструментальную погрешностьΔ t_{N ин}секундомера записать в табл. 1.

5) Вычислить по формуле (3) ускорение свободного падения в гравитационном поле Земли и погрешность измерения (как погрешность косвенного измерения).

1.5. Дополнительное задание

Исследовать зависимость периода колебаний математического маятника от начальной амплитуды и установить область гармонических колебаний.

Т а б л и ц а 1

Результаты измерения

при определении ускорения свободного падения

l, м	Δlин, м	N	tN, c	Δ tN ин, c

1.6. Контрольные вопросы

1) Закон гармонических колебаний, основные параметры гармонических колебаний.

2) Математический и физический маятники.

3) Дифференциальное уравнение колебаний математического маятника.

4) Вывести формулу для периода колебаний математического маятника.

Лабораторная работа 2

Незатухающие колебания (пружинный маятник)

Ц е л ь р а б о т ы: определить жесткость колебательной системы на примере колебаний пружинного маятника.

П р и б о р ы и п р и н а д л е ж н о с т и, и с п о л ь з у е м ы е в работе: пружинный маятник, секундомер, измерительная линейка.

2.1. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка представляет собой штатив, в верхней части которого крепится один из концов пружины, ко второму концу пружины подвешивается груз массой m, способный совершать колебания вдоль оси пружины под действием упругой силы.