Описание установки
Внешний вид и схема установки показаны на Рис. 4.
Струна (1) натягивается между колком (2), регулирующим силу натяжения, и измеряющим её пружинным динамометром (3). Струна опирается на два подвижных треугольных порожка (4). Её длина регулируется перемещением этих порожков по измерительной линейке (5). Струна располагается между лампочкой (6) и фотоэлементом со щелевой апертурой (7).
Колебания струны возбуждаются легким ударом резинового молоточка. В результате освещенность фотоэлемента и генерируемый им сигнал изменяются с той же частотой, с которой колеблется струна. Сигнал от фотоэлемента через усилитель (8) поступает на осциллограф (9) и универсальный счётчик (10), измеряющий частоту сигнала.
а)
б)
Рис. 4 – Внешний вид (а) и схема (б) установки для измерения частоты колебаний струны
Экспериментальная часть
Упражнение 1. Измерение зависимости частоты колебаний струны от силы натяжения.
Прежде чем натягивать струну, необходимо произвести установку нуля динамометра. Если струна уже натянута, вращая колок, сбросьте натяжение до его полного отсутствия. Ослабив фиксирующий винт на боковой поверхности цилиндрического корпуса динамометра, добейтесь, чтобы край корпуса совпадал с нулевым делением шкалы динамометра. Закрепите фиксирующий винт.
Для экспериментальной проверки соотношения (17) между частотой колебаний струны и силой натяжения используется константановая проволока с диаметром поперечного сечения d=0,4 мм (проволока №1). Установите её между крючком динамометра и крюком с нитью, закреплённой на колке. Струна при этом должна лежать на треугольных порожках. Медленно вращая колок, установите силу натяжения струныF=10 Н.
Перемещая порожки вдоль линейки, установите длину струны l=50 см. Здесь и далее под длиной струны будем понимать расстояние между верхними углами порожков. Его можно измерять как по положению порожков на линейке (поз. 5 Рис. 4), так и непосредственно с помощью металлической линейки.
Устанавливать порожки рекомендуется таким образом, чтобы лампочка и фотоэлемент находились точно посередине струны.
Включите осциллограф. Регулировку «VOLTS/DIV» соответствующего канала установите в положение «1» (см. Рис. 5). Регулировку «TIME/DIV» установите в положение «2 ms».
Включите усилитель (выключатель находится на задней панели прибора). Установите регулировку «Amplification» в положение «102» (см. Рис. 6). Кнопка «AC/DC» должна быть отжата, что соответствует переменному входному сигналу. Регулировку амплитуды установите в среднее положение.
Включите универсальный счетчик (выключатель находится на задней панели прибора). С помощью кнопки «Mode» переведите его в режим «Analog» (см. Рис. 7). С помощью кнопки «Function» установите режим измерения частоты «Freq». Кнопкой «Set» установите режим «Digits». Нажмите кнопку «Start». Загорится лампочка над этой кнопкой, свидетельствующая о том, что счетчик готов к измерению частоты.
Рис. 5 – Внешний вид экрана осциллографа.
Рис. 6 – Внешний вид лицевой панели усилителя.
Рис. 7 – Внешний вид лицевой панели универсального счетчика.
Непосредственно перед измерением частоты, необходимо убедиться, что:
Длина струны соответствует нужной величине (порожки могут немного сместиться при изменении натяжения струны);
Натяжение соответствует нужной величине (натяжение может измениться при передвижении порожков);
Тень от струны совпадает с прорезью щели фотоприемника. Для этого нужно либо посмотреть на фотоприемник снизу, либо использовать зеркало.
Данные проверки необходимо повторять перед каждымпоследующим измерением.
Возбудите колебания струны лёгким ударом резинового молоточка. Счетчик начинает измерение частоты не сразу, а после затухания высоких гармоник. Этот процесс можно контролировать с помощью осциллографа: на его экране в момент измерения должны наблюдаться колебания, близкие к синусоидальным (см. Рис. 5).
Повторите измерения, постепенно увеличивая силу натяжения до F=40 Н, с шагом 5 Н.