Цель работы
1.Определить собственные частоты колебаний струны при различных натяжениях.
2. Исследовать зависимость скорости распространения поперечных колебаний от натяжения струны.
3. Определить длину стоячей волны в воздушном столбе.
Теоретическое введение
Стоячая волна возникает в результате наложения двух волн одинаковой амплитуды и частоты, распространяющихся в противоположных направлениях, при этом вторая волна может возникнуть при отражении первой волны от преграды.
Уравнения бегущей и отраженной волн, распространяющихся вдоль оси ОХ, можно записать следующим образом:
S 1 = A cos (ω t-kx), 
S 2 = A cos (ω t+kx+φ),
где S 1 и S 2 – смещение точек среды, имеющих координату х, в момент времени t; ω – циклическая частота колебаний (ω = 2π/ Т, где Т – период колебаний); А – амплитуда колебаний; k – волновое число (k = 2π/λ, где λ– длина волны); φ – изменение фазы волны при отражении.
При наложении волн выражение для смещения точки в стоячей волне будет иметь вид:
S = S 1+ S 2 = B cos (ω t+ φ/2), (1)
где В – амплитуда стоячей волны:
B = 2 A cos (kx+ φ/2). (2)
Из выражения (2) следует, что амплитуда стоячей волны является периодической функцией координаты и не зависит от времени.
Если все точки среды в бегущей волне совершают колебания с одинаковой амплитудой, но с запаздыванием по фазе, то все точки среды в стоячей волне колеблются одновременно, но с различными амплитудами. Точки, в которых амплитуда колебаний равна нулю, называются узлами стоячей волны, а точки, колеблющиеся с максимальной амплитудой B max=2 A, - пучностями.
Рассмотрим случай отражения волны от среды с большим волновым сопротивлением (от более плотной среды). При этом фаза волны при отражении изменяется на противоположную (φ = -π). Этот случай называется отражением с потерей полуволны.
Подставив φ = -π в выражения (1) и (2), получим:
S = B sin ω t, (3)
где
B = 2 A sin kx. (4)
Найдем координаты узлов стоячей волны. Для этого в уравнении (4) положим В = 0. Тогда sin kx = 0, откуда следует, что kx = mπ, где m = 0, 1, 2 …, и
x уз = mπ/k = m λ/2 = 2 mּ (λ/4). (5)
Координаты пучностей найдем из условия: B = B max= ± 2 A. Знак “- “ означает, что фаза колебаний при переходе через узел изменяется на противоположную. Таким образом, для пучностей sin kx = ± 1, следовательно kx = (2 m + 1)π/2. Определим из этого уравнения координаты пучностей:
x пучн= (2 m + 1)π/(2 k) = (2 m + 1) ּ (λ/4). (6)
Аналогичные рассуждения для случая отражения волны от менее плотной среды (φ = 0) показывают, что при отражении без потери полуволны узлы и пучности поменяются местами по сравнению с рассмотренным случаем φ = -π. Легко показать, что расстояние между двумя соседними узлами или пучностями равно λ/2, а расстояние между соседними узлом и пучностью равно λ/4.
Стоячие волны возникают при колебаниях струн, стержней, воздушных столбов, мембран и т.п.
ЧАСТЬ 1. ИССЛЕДОВАНИЕ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ СТРУНЫ
Рассмотрим струну длины L, концы которой закреплены. Обозначим скорость распространения изгибных волн в струне V. При возбуждении колебаний на струне установится стоячая волна. При этом на концах будут находиться узлы, а между ними – одна или несколько пучностей. Так как расстояние между узлами равно λ/2, то на длине струны должно уложиться целое число полуволн (L = m λ/2), то есть на струне могут возникать только такие стоячие волны, у которых длина волны λ =2 L / m (m = 1, 2, 3 …). Используя формулу связи длины волны с частотой колебаний и скоростью распространения волны λ = V/ ν, получим формулу для определения собственных частот колебаний струны:
ν = V /λ = mV/ (2 L). (7)
Мы приходим к выводу, что в системе, на которую наложены определенные граничные условия, возможны лишь определенные дискретные значения частот собственных колебаний.
Скорость распространения поперечных колебаний в струне определяется формулой:
(8)
где F, d, ρ – сила натяжения, диаметр и плотность материала струны соответственно. Подставляя значение скорости в формулу (7), получим выражение для собственных частот колебаний струны:
где m = 1, 2, 3 … (9)
Наименьшая собственная частота ν1 (m = 1) называется основной частотой или основным тоном. Более высокие частоты, кратные ν1, называются обертонами или гармониками.
На рис.1 представлены стоячие волны, частоты которых соответствуют основному тону (m = 1) – рис.1а, первому обертону (m = 2) – рис.1б, второму обертону (m = 3) – рис.1в.
 |
 |
В любой момент времени профиль стоячей волны представляет собой синусоиду. В случае струны форма кривых на рисунках будет такой же, как и действительная форма изгибов струны при колебаниях, так как волны в данном случае являются поперечными.
Описание установки и метода
В работе собственные колебания струны исследуются методом резонанса. Явление резонанса заключается в следующем: если частота периодической вынуждающей силы, приложенной к малому участку струны, равна одной из собственных частот колебаний струны, то амплитуда колебаний резко возрастает.
В установке струна натянута горизонтально, причем предусмотрена возможность изменить и измерить силу натяжения струны. С помощью генератора электрических колебаний в струне создается переменнный ток, частоту которого можно менять. Один из участков струны находится в поле постоянного магнита. Со стороны магнитного поля на этот участок действует сила Ампера, направленная перпендикулярно струне. Частота изменения силы Ампера равна частоте переменного тока в струне. Когда эта частота совпадает с одной из собственных частот колебаний, в струне возникает резонанс.
Порядок выполнения работы
1. Включить установку.
2. Измерить и записать значения длины струны L, ее диаметра d и плотности материала струны ρ (указана на стенде).
3. Для 3-5 значений натяжения струны F (по указанию преподавателя) методом резонанса определить значения собственных частот νm (3-5 частот, начиная с ν1 , для каждого значения F). Значения F иνn занести в таблицу 1. Зарисовать также форму собственных колебаний для каждой частоты.
