37942

Изучение собственных колебаний струны

Лабораторная работа

Физика

Колебания струны5 3.10 Лабораторная работа № 11 а Изучение собственных колебаний струны 1. Цель работы Изучение собственных колебаний струны. Колебания струны В закрепленной с обоих концов натянутой струне при возбуждении поперечных колебаний устанавливаются стоячие волны причем в местах закрепления струны должны располагаться узлы.

Русский

2013-09-25

137 KB

95 чел.

Содержание

1. Цель работы……………………………………………………………4

2. Теоретическая часть…………………………………………………...4

2.1. Стоячие волны…………………………………………………….4

2.2. Колебания струны…………………………………………………5

3. Экспериментальная часть…………………………………………….7

4. Требования по технике безопасности………………………………..8

5. Порядок выполнения работы………………………………………....9

6. Требования к отчету…………………………………………………..9

7. Контрольные вопросы………………………………………………..10

Список литературы..………………………………………………….10


Лабораторная работа № 11 а

Изучение собственных колебаний струны

1. Цель работы

Изучение собственных колебаний струны.

2. Теоретическая часть

2.1. Стоячие волны

Стоячие волны являются особым случаем интерференции. Интерференцией волн называется явление наложения когерентных волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других, в зависимости от соотношения между фазами этих волн.

Стоячие волны возникают при наложении двух бегущих плоских волн, распространяющихся навстречу друг другу с одинаковыми частотами и амплитудами.

Если в среде распространяются одновременно несколько волн, то колебания частиц среды оказываются геометрической суммой колебаний, которые совершали бы частицы при распространении каждой из волн в отдельности. Следовательно, волны просто накладываются одна на другую, не возмущая друг друга. Это вытекающее из опыта утверждение называется принципом суперпозиции (наложения) волн. Практически стоячие волны возникают при отражении волн от преград. Падающая на преграду волна и бегущая ей навстречу отраженная волна, налагаясь друг на друга, дают стоячую волну.

Уравнения двух плоских волн, распространяющихся вдоль оси х в противоположных направлениях, имеют вид:

,

,

где  – волновое число.

Сложив вместе эти уравнения и преобразовав результат по формуле для суммы косинусов, получим уравнение стоячей волны

или  ,  (2.2)

где  – амплитуда стоячей волны.

В точках, координаты которых удовлетворяют условию  (n = 0, 1, 2…) амплитуда колебаний достигает максимального значения. Эти точки называются пучностями стоячей волны

, где n = 0, 1, 2… (2.3)

В точках, координаты которых удовлетворяют условию   (n = 0, 1, 2…) амплитуда колебаний обращается в нуль. Эти точки называются узлами стоячей волны. Точки среды, находящейся в узлах, колебаний не совершают. Координаты узлов имеют значения

 (n = 0, 1, 2…).                      (2.4)

Узел как и пучность представляют собой не одну точку, а плоскость, точки которой имеют значение координаты х определяемые по формуле (2.4).

2.2. Колебания струны

В закрепленной с обоих концов натянутой струне при возбуждении поперечных колебаний устанавливаются стоячие волны, причем в местах закрепления струны должны располагаться узлы. Поэтому в струне возбуждаются с заметной интенсивностью только такие колебания, половина данной длины волны которых, укладывается на длине струны целое число раз (рисунок 2.1).

Рис. 2.1

Отсюда вытекает условие      или

                     (2.5)

l – длина струны.

Длинам волн  соответствуют частоты  , где  – фазовая скорость, определяемая силой натяжения (F) струны и массой единицы длины (линейной плотностью ρлин)

, (2.6)

ρлин = 0,000256  – линейная плотность струны. Тогда

. (2.7)

Частоты  – называются собственными частотами струны. Собственные частоты являются кратными частоте при n = 1, , которая называется основной частотой данной струны.

3. Экспериментальная часть

Принцип действия установки основан на возникновении сил, действующих на струну (проводник) с током в постоянном магнитном поле.

При некоторых частотах генератора и силе натяжения струны картина стабилизируется – в струне образуется стоячая волна. Установка выполнена в настольном исполнении и состоит из объекта исследования и измерительного блока.

Рис. 3.1

Объект исследования состоит из жестокого основания, на котором закреплены постоянные магниты, между полюсами которых натянута струна, и механизма натяжения струны. Один конец струны жестко крепится к основанию, а второй прикреплен к тарировочной пружине. Второй конец пружины механически связан с винтовым механизмом, при помощи которого осуществляется изменение натяжения струны.

Измерение длины стоячих волн, образующихся на струне, производятся по миллиметровой шкале, нанесенной на прозрачный кожух, закрывающий переднюю стенку объекта исследования. Для улучшения видимости струны за ней размещена лампа подсветки.

В состав измерительного блока входят генератор синусоидальных колебаний с усилителем мощности для возбуждения колебаний струны и частотомер для измерения частоты генератора. На передней панели размещены следующие органы управления:

– ручка ЧАСТОТА «ГРУБО» и ЧАСТОТА «ТОЧНО» для установки частоты генератора;

– ручка УРОВЕНЬ – для установки необходимой амплитуды выходного напряжения генератора (амплитуда колебаний струны);

– цифровое табло частотомера.

4. Требования по технике безопасности

1. К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством, принципом действия и знающие правила техники безопасности при работе с напряжением до 1000 В.

2. Убедиться, что установка заземлена.

3. В установке имеется опасное для жизни напряжение, поэтому при эксплуатации необходимо строго соблюдать меры предосторожности:

– перед включением в сеть убедиться в исправности сетевого шнура:

– замену любого элемента производите только при отключенном от сети соединительном шнуре.

4. Перед включением установки в сеть сетевой выключатель измерительного устройства должен находиться в положении «Выкл.», ручки регулировки должны быть выведены в крайнее левое положение.

Примечание: Запрещается задавать натяжение струны более 0,6 Н.

5. Порядок выполнения работы

1. Подключите установку к сети 220 В, нажмите кнопку «Сеть» устройства питания лампы. Загорится подсветка струны. Нажмите кнопку «Сеть» измерительного блока. Загорится цифровое табло.

2. Дайте установке прогреться в течении 3-5 минут.

3. Установите натяжение струны F = 0,2 Н. Ручку «УРОВЕНЬ» установите в среднее положение.

4. Изменяя при помощи ручек «ГРУБО» и «ТОЧНО» частоту в диапазоне 20-45 Гц, получите одну хорошо различимую полуволну на всей длине струны (n = 1).

5. По шкале на передней панели определить длину струны l.

6. По формуле (2.6) найти фазовую скорость

7. Определить соответственную частоту струны при n = 1 (2.7).

8. Увеличивая частоту, кратно полученной, получите различные полуволны на других частотах (n = 2, 3, 4…). Максимальное число различимых полуволн должно быть не меньше четырех.

9. Результаты измерений внести в таблицу.

10. Вычислите абсолютную и относительную погрешности собственных частот струны.

Таблица

п/п

lстр

(м)

ρлин

(кг/м)

F

(Н)

(м/с)

(Гц)

(Гц)

(Гц)

(Гц)

Δ

(Гц)

δν

(%)

1

0,62

0,000256

0,2

2

0,3

3

0,4

6. Требования к отчету

Отчет к лабораторной работе должен содержать:

1) название лабораторной работы, цель работы;

2) перечень приборов и принадлежностей;

3) краткую теорию и основные формулы для выполнения расчетов;

4) таблицы с результатами измерений и вычислений;

5) графики, выполненные на миллиметровой бумаге;

6) выводы к работе.

7. Контрольные вопросы

1. Как записывается уравнение бегущей волны?

2. Какие источники колебаний называются когерентными?

3. В чем заключается принцип суперпозиции волн?

4. Какие условия необходимы для возникновения интерференции волн?

5. Что такое стоячая волна? Как записывается уравнение стоячей волны?

6. Условия возникновения пучностей стоячей волны.

7. Условия возникновения узлов стоячей волны.

8. Как выводятся координаты узлов и пучностей стоячей волны?

9. Как связана длина волны с длиной струны?

10. Что такое собственная частота стоячей волны? Как связана частота стоячей волны с длиной волны, длиной струны и с фазовой скоростью?

11. От каких физических величин зависит фазовая скорость стоячей волны?

Список литературы

1. Савельев И.В. Курс физики. Т. 2. – М.: Наука, 1998.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2003.

3. Детлаф А.А., Яворский В.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2002.

PAGE  4


узел

узел

пучность

 = 1

узел

пучность

узел

пучность

узел

n = 2

узел

пучность

узел

пучность

узел

пучность

узел

n = 3

n = 4

узел

пучность

узел

пучность

узел

пучность

узел

пучность

узел

объект исследования

 шкала измерения длины струны

измерительный блок

цифровое табло

частота

Грубо Точно Уровень

струна

шкала натяжения струны

магнит

(2.1)

l


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33688. Проверка показаний на месте 12.14 KB
  Сущность данного действия заключается в воспроизведении лицом дающим показания на месте обстановки и обстоятельств исследуемого события указывании на предметы документы следы имеющие значение для расследуемого уголовного дела. Необходимость в проверке показаний на месте возникает тогда когда в показаниях допрошенного лица есть данные о месте события или о маршруте но следователь не смог установить точное местонахождение. Проверку показаний на месте можно проводить когда в показаниях допрашиваемого содержатся сведения о местонахождении...
33689. ПОНЯТИЕ И ВИДЫ ОБЫСКА. ПОДГОТОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ОБЫСКА 12.61 KB
  ПОДГОТОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ОБЫСКА Обыск следственное действие состоящее в обследовании помещений участков местности отдельных граждан с целью отыскания и изъятия объектов имеющих значение для расследуемого уголовного дела. Виды обыска: 1 по объектам: а обыск в помещении находящемся в ведении или пользовании граждан предприятий организаций учреждений; б обыск местности; в обыск транспортных средств; г личный обыск; 2 по последовательности: а первоначальный; б повторный; 3 по времени обыска объектов: а одновременный; б...
33691. ТАКТИКА ЗАДЕРЖАНИЯ 13.21 KB
  Цель задержания проверить причастность лица к совершению преступления. Основания задержания: 1 лицо застигнуто при совершении преступления или непосредственно после его совершения; 2 при указании потерпевшим или очевидцами на данное лицо как на совершившее преступление; 3 если на этом лице или на его одежде при нем или в его жилище будут обнаружены явные следы преступления; 4 при наличии иных данных дающих основание подозревать лицо в совершении преступления. Условия задержания: 1 наличие возбужденного уголовного дела; 2 совершение...
33692. Подготовка к проведению судебных экспертиз 11.2 KB
  Фактические доказательства исследование которых с помо щью специальных познаний может привести к появлению новых дока зательств. Экспертное исследование состоит из следующих стадий: а экспертный осмотр; б раздельное исследование анализ; в сравнительное исследование синтез; г экспертный эксперимент; д формулирование выводов.
33693. Понятие, задачи, источники и принципы криминалистической методики 12.9 KB
  Криминалистическая методика это система научных положений и разрабатываемых на их основе рекомендаций по организации и осуществлению раскрытия расследования и предотвращения отдельных видов преступлений. На основе общей теории криминалистики рекомендации криминалистической техники и тактики конкретизируются и используются в криминалистической методике применительно к ситуациям типичным для определенных категорий групп преступлений т. Криминалистическая методика разрабатывает наиболее эффективные способы применения рекомендаций...
33694. ПОНЯТИЕ И ЗНАЧЕНИЕ КРИМИНАЛИСТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕСТУПЛЕНИЙ 12.1 KB
  Своеобразие криминалистической характеристики преступлений определяется двумя моментами: 1 особенностями отражаемой в ней реалии и ее признаков; 2 спецификой целей подобного отражения. Два других уровня символизируют одну общую для них но отличающуюся от предыдущей систему координат рассмотрение криминалистической характеристики преступлений в ее обобщенном типовом варианте. С этой точки зрения криминалистическая характеристика преступлений может быть представлена в качестве типовой информационной модели которая отражает типичные с...
33695. ПОНЯТИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЧАСТНЫХ МЕТОДИК РАССЛЕДОВАНИЯ 12.36 KB
  Классификация частных методик: 1 по объему: а полные разрабатываются для всего процесса расследования какоголибо вида преступлений; б сокращенные методические рекомендации для какоголибо одного этапа расследования; 2 в зависимости от отношения к уголовному закону: а типичные методики построенные в зависимости от вида преступлений; б особенные методики где в качестве оснований могут быть место совершения преступления личность преступника или потерпевшего например расследование преступлений на водном или воздушном...