Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Національний університет „Львівська політехніка”
Кафедра Фізики
Звіт
з лабораторної роботи № 17
з дисципліни: “Фізика”
На тему: “ Дослідження коливань струни ”
Львів – 2012
Мета роботи
Вивчити явище утворення стоячих хвиль у струні, знайти частоти власних коливань та швидкість поширення хвиль у струні при фіксованій силі натягу.
Прилади та обладнання
Звуковий ґенератор, віброперетворювач, струна, нерухомий блок, масштабна лінійка, тягарці.
Опис вимірювального пристрою
Об(єктом дослідження є вертикальна натягнена струна (1), у якій можуть виникати стоячі хвилі (рис.1). Її нижній кінець прикріплений до вібратора віброперетворювача (2). Це пристрій, що перетворює електричні коливання, створені звуковим ґенератором (5), у механічні коливання тієї ж частоти і збуджує вимушені коливання струни. Верхній кінець струни перекинуто через нерухомий блок (3) і
навантажено основним тягарцем (4). Накладаючи на тягарець (4) додаткові тягарці, можна змінювати силу натягу струни. Довжина L частини струни, яка здійснює механічні коливання, дорівнює віддалі між нижньою точкою закріплення та точкою дотику струни до блоку, і надалі буде вважатися довжиною струни. Частоту (у звуковому діапазоні) і амплітуду коливань вихідного сигналу звукового ґенератора можна регулювати за допомогою відповідних ручок на його передній панелі. Координати вузлів та пучностей стоячої хвилі, а також її довжину визначають масштабною лінійкою (6).
Виведення розрахункових формул
Збуджені вібратором поперечні коливання струни поширюються до верхньої точки закріплення струни. Тут хвиля відбивається і рухається у зворотньому напрямі. В результаті у струні виникають стоячі хвилі. При цьому точки закріплення струни є одночасно вузлами стоячої хвилі, оскільки стоячі хвилі виникають тільки при таких частотах, коли на довжині струни L вкладається ціле число півхвиль, тобто ціле число довжин стоячої хвилі.
Звідси випливає, що
або , (1)
де n = 1, 2, 3 ...
Відповідні власні частоти коливань струни зв(язані з довжиною хвилі співвідношенням:
νn (2)
де u ( швидкість поширення хвиль у струні, однакова для всіх частот.
Найнижча частота ν1 називається основним тоном коливань або першою гармонікою. Всі вищі частоти, кратні до ν1, називаються обертонами, наприклад: подвоєна частота ν2 = 2ν1 – це перший обертон або друга гармоніка і т.д.
Вигляд струни у випадку спостереження основного тону та першого і другого обертонів подано на рис.2.
Швидкість поширення поперечних хвиль у струні залежить від сили натягу струни:
= = = (3)
де F = mтg ( сила натягу струни (mт – маса тягарця),
– густина матеріалу струни (m – маса струни, V – її об’єм ),
S ( площа поперечного перерізу струни, L – довжина струни.
Позначивши
( mL( маса одиниці довжини струни, або лінійна густина струни),
одержимо:
(4)
Враховуючи (4), для частот коливань струни отримаємо вираз:
νn , (5)
де n = 1, 2, 3 ...
Виберемо за початок відліку одну із точок закріплення струни і вісь х напрямимо вздовж струни. Тоді рівняння стоячої хвилі, що виникає у струні при частоті νn , запишемо у вигляді:
n = 2A sin kx sin t = 2A sin x sin 2νnt (6)
де n ( поперечне відхилення точки струни з координатою x у момент часу t,
( хвильове число.
З умови
знаходимо координати пучностей ( Аст = 2А ) стоячої хвилі:
(7)
Для основного тону з (1) , відповідно ;
для першого обертону () ; і т.д. для вищих гармонік.
З умови ( kx = 0, , 2...
