- •Колебания и волны лабораторный практикум
- •Работа № 20а
- •Свободные колебания физического маятника
- •Дифференциальное уравнение колебаний физического маятника
- •Определение момента инерции маятника по измерениям периодов колебаний
- •Описание экспериментальной установки
- •Задание к работе
- •Контрольные вопросы
- •Нормальные колебания второго (противофазного) типа
- •Нормальные координаты
- •Явление биений
- •Нормальные колебания первого (синфазного) типа
- •Измерение частот колебаний
- •Задание к лабораторной работе
- •Контрольные вопросы
- •2. Сложение двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний
- •Описание экспериментальной установки
- •Задание к работе
- •Описание лабораторной установки и методики измерений
- •Задание к работе
- •Контрольные вопросы
- •Описание установки
- •Задание к работе
- •Контрольные вопросы
- •Описание лабораторной установки
- •Задание к работе
- •Контрольные вопросы
- •Литература
Измерение частот колебаний
В
данной работе непосредственно измеряется
время
наблюдения
колебаний. Если
–
период колебаний, то
.
(37)
Таким
образом, по измеренному времени
можно рассчитать соответствующую
частоту колебаний
(т.е.
,
,
,
).
Погрешность
измерений частот зависит от погрешности
измерений времени
колебаний. Чем больше число
,
тем меньше
.
В задании к работе даны рекомендованные
значения
.
Формулу для расчета величины
предлагается вывести самостоятельно.
В рассмотренной теоретической модели углы отклонения маятников от положения равновесия полагались малыми (предположения (1), (2)), поэтому при выполнении лабораторной работы следует иметь в виду, что максимальные углы отклонения маятников должны быть не более, например, 10 градусов.
Рекомендуем
взять следующие значения для чисел
наблюдаемых колебаний:
для измерения
,
для измерения
и
,
для измерения
.
Можно брать бо;´льшие, чем эти
рекомендованные значения величин
.
При этом точность измерения частот
возрастет.
Задание к лабораторной работе
-
Снять пружину. Измерить частоты
собственных колебаний каждого из
маятников по времени 30 колебаний. Если
частоты маятников отличаются друг от
друга более чем на 1 %, то их необходимо
уравнять,
перемещая чечевицу одного из маятников
по стержню (штанге).
-
Установить пружину (первое, нижнее, положение пружины задает преподаватель). Измерить частоты нормальных колебаний
и
по времени 10 колебаний, возбуждая эти
колебания в соответствии с рис. 3 и 4.
Измерить при том же положении пружины
частоту биений
по времени 5 биений, возбуждая их по
схеме рис. 5. Проводя эти измерения,
наблюдайте за движением одного
маятника. Отсчет времени начинайте с
положения, когда амплитуда колебания
маятника равна нулю.
Помните, что период одного биения –
это минимальный промежуток времени,
через который амплитуда колебания
маятника снова станет равной нулю
(повторение состояния). -
Выполнить пункт 2 задания еще для четырех других положений пружины, поднимая его вверх.
-
Вычислить частоту биений
как разность частот нормальных колебаний
для всех пяти положений пружины. -
По результатам работы сделать выводы относительно справедливости следующих теоретических предсказаний:
-
о приближенном равенстве частоты
синфазного нормального колебания
частоте
гармонических колебаний отдельного
маятника;
-
о независимости частоты
от расстояния
; -
о повышении частоты
противофазного нормального колебания
с увеличением расстояния
; -
о равенстве частоты биений
разности частот нормальных колебаний:
; -
о повышении частоты биений
с
увеличением расстояния
.
Чтобы эти выводы сделать более очевидными, представьте свои результаты с учетом погрешностей измерений графически в удобной для восприятия и сопоставления форме, предварительно решив вопрос о том, что откладывать по осям.
Контрольные вопросы
-
Какова цель работы?
-
Какие формулы являются рабочими?
-
Что вы будете измерять непосредственно?
-
Что вы будете определять косвенно?
-
Каким образом вы будете измерять частоты нормальных колебаний и частоту биений?
-
Какие графические зависимости вы ожидаете получить? Что вы решили отложить по осям координат?
-
Как вы собираетесь вычислять погрешности всех величин?
-
Вывели ли вы соответствующие формулы для расчета соответствующих погрешностей?
-
Как определяется число степеней свободы?
-
Как записывается основное уравнение динамики вращательного движения?
-
Как выведены уравнения (4) и (5)?
-
Когда уравнения (7), (8) переходят в уравнения гармонических колебаний?
-
Какие колебания называются нормальными?
-
Как, используя нормальные координаты (18), получить решение уравнений (7), (8) в виде (10), (11)?
-
Что такое явление биений?
-
Когда возникает это явление?
-
Почему биения не представляют собой гармонические колебания?
-
Что такое амплитуда биений? Изобразите график зависимости амплитуды биений от времени.
-
Почему частота биений равна разности нормальных частот, а не их полуразности, как это записано в формулах (25), (26) и (32), (33)?
-
Что происходит с энергиями маятников в процессе биений?
-
Подтверждают ли ваши экспериментальные результаты теоретические выводы?
Литература
-
Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Академия, 2004 (и др. годы изданий).
-
Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Астрель, 2001 (и др. годы изданий).
Работа № 21
СЛОЖЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ОДИНАКОВОЙ ЧАСТОТЫ
Цель работы: научиться измерять разность фаз гармонических колебаний одинаковой частоты методом сложения колебаний, экспериментально определить зависимость фазового сдвига между колебаниями напряжения на двух последовательно соединенных элементах электрической цепи от частоты и сравнить полученную зависимость с рассчитанной теоретически.
1. Сложение двух одинаково направленных гармонических колебаний
При
сложении двух одинаково направленных
колебаний некоторой материальной точки
результирующее смещение
точки равно
алгебраической сумме смещений
и
в каждом из колебаний. Этот же случай
реализуется и при сложении колебаний
скалярных физических характеристик
колебательной системы (давления, силы
тока, напряжения и т.д.). Если частоты
складываемых колебаний равны, то
,
.
Сложение таких колебаний можно произвести, воспользовавшись методом векторных диаграмм
Н
Рис.
1

,
и результирующего вектора
для некоторого момента времени. Угол
между векторами
![]()
и
равен
.
Так как векторы
и
вращаются с одинаковой угловой скоростью
,
угол
со временем не изменяется. Следовательно,
и результирующий вектор
вращается с той же угловой скоростью
,
а соответствующие колебания совершаются
с циклической частотой
.
Амплитуду результирующего колебания
можно найти по теореме косинусов,
согласно которой
.
(1)
Формула
(1) позволяет найти амплитуду результирующего
колебания
,
если известны амплитуды
и
складываемых колебаний и соответствующая
разность фаз
.
Эту формулу можно преобразовать
к
виду
.
(2)
По
формуле (2) можно найти разность фаз
,
если известны амплитуды
,
и
.
