Работа №1. Изучение собственных колебаний струны

Цель работы: определение скорости поперечных волн в струне при различных значениях величины натяжения, изучение условий установления стоячей волны, получающейся в результате сложения волн, идущих в проти­воположных направлениях.

Оборудование: рейка со струной, звуковой генератор, постоянный магнит, разновесы.

Основное свойство струны —гибкость —является следствием ее большой длины по сравнению с поперечными размерами. Даже стру­ны, изготовленные из жестких материалов, практически не сопротив­ляются изгибу, если размер изгибаемого участка значительно больше поперечного размера струны. Это позволяет в дальнейшем при рас­смотрении струны не учитывать изгибные напряжения.

Горизонтально расположенная струна с закрепленными концами провисает в поле тяжести, если она плохо натянута. При увеличении натяжения струна вытягивается практически в прямую линию. Сила натяжения при этом значительно превосходит вес струны. Поэтому для прямой натянутой струны в дальнейшем силами тяжести будем пренебрегать.

Натянутая струна с жестко закрепленными концами удобна для изучения колебательных процессов. Это связано с тем, что в струне можно непосредственно наблюдать простейшие типы колебаний и волн, измерять их параметры и сравнивать результаты наблюдения с результатами теоретических расчетов.

Движение элементов струны может быть вызвано изменением ее формы или передачей ей импульса. Натяжение струны стремится вер­нуть её в начальное прямолинейное положение, и это приводит к тому, что возникает движение элементов струны. Возмущения бегут вдоль струны.

При заданной частоте скорость волны.

Описание установки

Схема экспериментальной установ­ки изображена на рис. 2.На массивной металлической рейке 1между опорами 2и3 натянута струна 4.Один конец струны закреплен в опоре 2.От нее струна проходит между полюсами магнита 5 и через опору 3 инеподвижный блок 6 соединяется с площадкой 7,на которую помещают грузы. Такое устройство необходимо для на­тяжения струны. К опорам2и 3 подводится переменный ток от звукового генератора 8.Движение струны вызывается силой Ампера, действующей на проводник с током в магнитном поле. Ча­стота действия силы, раскачивающей струну, равна частоте колебаний тока в струне, т.е. частоте генератора.

В натянутой струне возникнут колебания и по ней побегут волны, которые отразятся от опор 2и 3и, сложившись друг с другом, создадут стоячую волну 9,10, если на длине струны уложится целое число полуволн.

В реальных условиях колебания струны существуют потери энер­гии, поэтому чтобы колебания струны происходили долго, нужно подводить энергию. В стационарном режиме подводимая энергия равна потерям энергии. В данной установке сила Ампера не только возбуждает, но и поддерживает колебания в струне.

Рис. 2.Схема экспериментальной установки

Задание

1. Изучите установку. Поместите магнит на расстоянии около 10 см от правой опоры.

2. Включите питание генератора. Дайте ему прогреться 2-3 минуты, и установите частоту около 20 гц.

3. Нагрузите струну, поместив грузики на подставку.

4. Увеличивая частоту генератора, получите стоячие волны, соответствующие n=1,2… дойдя доn=6. При этом могут возникнуть колебания с другим количеством узлов и пучностей. Чтобы перейти к нужному обертону, коснитесь пальцем струны в том месте, где должен быть узел нужного обертона. Определите скорость бегущих волн в струне для каждого обертона.

5. Проделайте указанные измерения при различных (не менее 3-х) натяжениях струны и найдите скорость бегущих волн.

6. Постройте график зависимости частоты обертона _nотn.По наклону прямой по формуле (3) определите скоростьuбегущих волн при данном натяжении. Оцените погрешность результатов.

7. Зная натяжение струны Т, определите плотность струны на единицу длины. Оцените погрешность результатов.