Описание установки

В данной работе для изучения собственных колебаний струны используется резонатор. Он состоит из основания, на котором укреплен электронный блок, включающий в себя цифровой частотомер и звуковой генератор. Над электронным блоком на кронштейне закреплен механизм натяжения струны. Левый конец струны жестко закреплен. Правый конец механически связан с калиброванной пружиной, сила натяжения которой F регулируется с помощью винтового механизма и измеряется по шкале с указателем. Весь механизм закрыт прозрачным кожухом, на передней поверхности которой нанесена шкала для измерения длины полуволн. Для улучшения наблюдаемой картины колеблющейся струны применяется подсветка.

Струна подключена к выходу генератора для пропускания по ней переменного электрического тока I = I₀ sin ωt. В левой части механизма укреплен постоянный магнит, между полюсами которого натянута струна. Следовательно, на часть струны длиной ΔL со стороны постоянного магнитного поля с магнитной индукцией В будет действовать сила Ампера F_А (внешняя периодическая сила для возбуждения вынужденных колебаний струны), направленная по правилу левой руки перпендикулярно вектору магнитной индукции и участку струны ΔL:

(7)

где  - угол между вектором и направлением тока I в струне.

Если частота вынуждающей силы  будет совпадать с одной из собственных частот струны (₀, ₂, ₃, …), на которых происходит резонанс, то на струне образуется стоячая волна той же частоты. При  = ₀ получается хорошо различимая полуволна с максимальной амплитудой (рис. 2г) и отчетливо слышен звук; при  = 2₀ – две полуволны вдвое меньшей длины (рис. 2д), а при  = 3₀ – три полуволны (рис. 2е) и т.д.

Порядок выполнения работы

1. Включите прибор в сеть. При этом должна загореться цифровая индикация электронного блока и лампа подсветки струны. Дайте электронному блоку в течении 1-2 минут войти в рабочий режим.

2. Регулируя маховик винтового механизма, установите необходимую силу натяжения струны F (задается преподавателем в диапазоне 0,30,4 Н). Ручку «Выход» на лицевой панели электронного блока выведите в крайнее правое положение. Выведите ручку «Частота» в крайнее левое положение. Нажмите кнопку «10-100». Частотомер должен показать значение около 50 Гц.

3. Увеличивая частоту генератора , плавно вращая ручку «Частота» по часовой стрелке, получите одну хорошо различимую полуволну (n = 1) по всей длине струны (см. рис. 2б). Снимите показания с частотомера и занесите их в строку с n = 1 таблицы 1.

4. Далее увеличивая частоту генератора , получите по всей длине струны последовательно две, три, четыре и пять хорошо различимых полуволн (n = 2, 3, 4 и 5 соответственно) (см. рис. 2). Результаты измерений занесите в табл. 1.

5. По данным табл. 1 рассчитайте плотность материала струны  =

где S = – площадь поперечного сечения струны. Диаметр струны d = 0,125 мм, длина струны L = 60 см.

Таблица 1.

n	F, Н	S, м2	, Гц	, кг/м3	<>, кг/м3
1
2
3
4
5

6. Рассчитайте среднее значение плотности материала струны <>. По справочным данным на рабочем месте определите материал.