Методички по лабам(физика) / lab302

3

Цель работы: изучение собственных колебаний струны. Задача: определение характеристик собственных колебаний.

Техника безопасности: перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что она заземлена. Установка питается напряжением 220 В, поэтому токоведущие части должны быть закрыты.

Приборы и принадлежности: вертикальная стойка с кронштейном, панель со струной и постоянным магнитом, электронный блок.

ВВЕДЕНИЕ

Хорошо известно, что если в среде, все частицы которой связаны между собой, возбудить в какой-либо точке колебания, то эти колебания будут распространяться по среде в виде волны. Возьмем, например, струну и одному из ее участков придадим колебательное движение, в этом случае колебание начнет распространяться вдоль струны: по струне побежит волна.

Если колебания частиц перпендикулярны к направлению распространения колебаний, то бегущая волна называется поперечной.

Скорость распространения такой волны дается выражением

где N – модуль сдвига, а - плотность среды.

Используя закон Гука для деформации сдвига, формулу (1) можно

где F - определяет силу натяжения, а S – площадь поперечного сечения струны.

Если оба конца струны закреплены (как в настоящей лабораторной работе), то в результате отражения от них бегущих волн в струне возникают

где n – произвольная целое число, n = 1, 2, 3…

Как видно из (3), частоты n определяются только геометрией (длина l) и свойствами материала. Поэтому их часто называют собственными частотами такой струны, а соответствующие стоячие волны – собственными колебаниями.

2

Рис. 2. Схема установки

5

При определении цены деления шкалы линейки 10 конец нити освобождается от блока, свободно перекидывается через него и нагружается грузом 13.

Натяжение струны определяется по линейке 10 при помощи визира 9. Линейка 15 предназначена для контроля длины струны и измерения длин полуволн.

Электронный блок 2 предназначен для питания струны переменным током I звуковой частоты, регулировки частоты и амплитуды звуковых колебаний и измерения частоты в цифровой форме.

Струна медная. Плотность меди = 8,9 103 кг/м3.

Диаметр струны d = 0,15 мм. Струна с током находится в поле посто-

янного магнита 11, магнитное поле ( В ) действует на проводник с током с силой (по закону Ампера)

пропорциональной току. (Здесь dl – дифференциально малый элемент дли-

ны струны). Под действием силы Fм струна начинает колебаться на участке действия магнитного поля. Распространяясь по струне, колебания порож-

дают в ней бегущую волну. Если частота колебания силы Fм совпадает с одной из собственных частот струны, то в последней устанавливается стоячая волна.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Проверить, правильно ли заложена струна в ролики и блоки.

2.Ослабить стопорную гайку нагрузочного блока 14 так, чтобы блок мог свободно вращаться.

3.Последовательно нагрузить нить грузами m1 = 20 г и m2 = 50 г. Визир на линейке покажет некоторые величины x1 и х2, соответствующие силам натяжения струны F1 = m1g и F2 = m2g.

4.Определить цену деления шкалы линейки 10:

СF2 F1 .

x2 x1

5.Снять груз, закрепить нить в блоке, проконтролировав правильность положения визира. Зафиксировать блок стопорной гайкой. Установить натяжение струны 0,2 Н.

6.Включить в сеть шнур питания электронного блока, включить тумблер «СЕТЬ», при этом на лицевой панели должны появиться цифровые индикации.

7.Дать электронному блоку 1 – 2 мин. прогреться.

6

8.Ручку «ВЫХОД» на лицевой панели электронного блока повернуть вправо до упора.

9.Медленно изменяя частоту в диапазоне (20 – 50) Гц с помощью ручек «Грубо», «Плавно», получить одну различимую полуволну по струне. Записать соответствующее значение частоты.

10.Увеличивая частоту кратно полученной, получить различимые полуволны по струне с количеством не менее 4. Зарисовать полученные картинки и измерить длины полуволн.

11.Вычислить скорости распространения волн в струне по формуле (3) при n = 1, 2, 3, 4.

12.Повторить действия, указанные в п.п. 9 – 11, для значений силы натяжения струны 0,3 Н; 0,4 Н.

Построить график зависимости n от F.

13.Сопоставить полученный в п. 12 график с аналитической зависимостьюn от F (формулы (2) и (3)). При фиксированных значениях F = 0,2 Н;

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Пояснить физический механизм распространения колебаний в струне.

2.Получить выражения (2) и (3).

3.Пояснить механизм возникновения стоячих волн в струне. Получить уравнение этих волн.

4.Возникнут ли в струне стоячие волны, если частота переменного тока не равна ни одной из собственных частот?

5.Возникнут ли в струне стоячие волны, если ток в ней будет отсутствовать, а вместо постоянного магнита будет использован электромагнит?

7

Примерный образец отчета по лабораторной работе

Лабораторная работа № 302 «Изучение собственных колебаний струны»

Цель:

Задача:

Техника безопасности:

Приборы и принадлежности:

Таблица 1

Основные метрологические характеристики приборов

Основные понятия и законы Описание установки и метода измерений

Таблица результатов измерений Графики, рисунки

Расчет искомых величин

Выводы

Дата

8

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Савельев И. В. Курс общей физики: В 3 т. – М.: Наука, 1996. Т. 2. 495 с.

2.Трофимова Т. И. Курс физики. – М.: Высш. шк., 1998. – 542 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ………………………………………………………... 3

Описание и принцип действия установки …………………… 4

Порядок выполнения работы …………………………………. 5

Контрольные вопросы ………………………………………… 6

Примерный образец отчета по лабораторной работе ……….. 7

Библиографический список …………………………………... 8