Лабораторная работа 6.7
Изучение колебаний натянутой струны
Цель работы: изучить колебания струны и выяснить зависимость влияния натяжения струны на ее собственные частоты.
Описание метода и экспериментальной установки
Приборы и принадлежности: звуковой генератор, согласующий трансформатор, постоянный магнит, струна, набор разновесов.
В данной работе в качестве акустической системы, подвергаемой воздействию периодических внешних сил, используют натянутую струну, которую можно считать закрепленной в двух узловых точках.
Для возбуждения колебаний струны ее помещают в постоянное магнитное поле, создаваемое магнитом 2 (рис. 1).
|
По струне 1 (проводник) пропускают переменный ток 
, подводимый к струне от звукового генератора 3 через согласующий трансформатор 4. При этом на струну будет действовать периодическая сила Ампера:
где В — индукция магнитного поля постоянного магнита;
l — длина участка струны, находящегося в магнитном поле;
I0 — амплитуда переменного тока;
ν — частота, задаваемая генератором.
Нагружение струны осуществляется с помощью набора разновесов 5. При выполнении расчетов необходимо учесть массу чашки для разновесов.
Возбуждение колебаний струны происходит при совпадении частоты звукового генератора с одной из собственных частот колебаний струны. При этом в струне образуется поперечная стоячая волна с узловыми точками в местах закрепления струны, а амплитуда колебаний струны в пучностях достигает максимального значения. Изменяя частоту звукового генератора и, следовательно, частоту вынужденных колебаний, фиксируют образование стоячих волн с n – узловыми точками. Зная число узловых точек в струне, можно определить расстояние DL между узлами, равное половине длины стоячей волны:
Где L = 0,8 м — длина струны. Следовательно, скорость поперечных волн С равна:
Изменения этой скорости достигают изменением натяжения струны.
Порядок выполнения работы
1. Установить на чашку нагрузку 80 г. При расчетах учесть, что масса чашки рана 30 г.
2. Подсоединить установку к согласующему трансформатору 4, а его – к звуковому генератору 3 (клеммы «выход»).
3. Установить на генераторе значение частоты 20 Гц и включить генератор. Через 2 мин. медленно увеличить частоту, следя за поведением струны. Зафиксировать резонансную частоту.
4. Продолжая увеличивать частоту генератора, получить возбуждение колебаний на втором тоне (n = 3). Увеличить нагрузку на струну до 100, 120, 140, 160, 180 г, зафиксировать резонансные частоты.
5. Повторить опыт по пункту 4 для третьего тона (n = 4).
6. Рассчитать скорость звука в струне и построить график зависимости 
Рассчитать по данным для второго и третьего тона тангенс угла наклона a полученной прямой и найти показатель степени зависимости скорости поперечных волн от натяжения струны:
Контрольные вопросы
1. Как в данной работе осуществляется возбуждение колебаний струны?
2. Каковы возможные формы колебаний струны, закрепленной с обоих концов?
3. Как рассчитать собственные частоты колебаний струны, закрепленной с обоих концов?
4. Как влияет сила натяжения струны на ее собственные частоты?
5. Объяснить механизм возникновения стоячих волн.
