Опис експериментальної установки

 

Експериментальна установка є приладом, що дозволяє з високим ступенем точності визначити період коливань математичного чи фізичного маятників за допомогою фотоелектричного датчика і універсального мілісекундоміра. На цьому приладі визначається час певної кількості повних коливань маятника, а період коливань розраховується за формулою:

 

. (11)

Порядок виконання роботи

Завдання 1

1. Нижній кронштейн з фотоелектричним датчиком встановити в нижній частині колонки, щоб верхня грань кронштейна показувала на шкалі дов­жину не менше 50 см.

2. Повертаючи верхній кронштейн, розмістити над фотоелектричним датчиком математичний маятник.

3. Обертаючи коробочку на верхньому кронштейні, встановити довжину маятника так, щоб кулька перетинала оптичну вісь фотоелектричного датчика.

4. Ввімкнути прилад перемикачем "Сеть".

5. Відхилити кульку на 2...3⁰ від положення рівноваги.

6. Натиснути кнопку "Сброс".

7. Після підрахунку вимірювачем 10...15 коливань натиснути клавішу "Стоп". Записати кількість коливань п та відповідний їм час t.

8. Вимірювання повторити 3... 5 разів.

9. За шкалою колонки визначити довжину маятника l₁.

10. Всі дані вимірювань внести до складеної таблиці.

 

Завдання 2

1. Відхилити кульку на 4...5⁰ від положення рівноваги.

2. Повторити п.п. 6...8 завдання 1.

3. Відхилити кульку на 6...7° від положення рівноваги

4. Повторити п.п. 6...8 завдання 1.

5. Відхилити кульку на 15...20⁰ від положення рівноваги.

6. Повторити п.п. 6...8 завдання 1.

7. Дані вимірювань занести в таблицю.

 

Завдання 3 (положення рівноваги)

1. Встановити кульку маятника з іншого матеріалу

2. Повторити п.п. 5... 8 завдання 1 для двох різних матеріалів.

3. Дані вимірювань занести в таблицю.

 

Завдання 4

1. Встановити довжину маятника l₂ = 25...30 см.

2. Повторити п.п. 2...10 завдання 1.

 

Обробка результатів експерименту та їх аналіз

 

1. Використовуючи дані таблиці завдання 1, за формулою (11) знайти значення періоду T₁ коливання математичного маятника.

2. За даними завдання 2 за формулою (11) знайти період коливання маятника для всіх досліджених кутів відхилення.

3. Результати зіставити із значенням, одержаним в п.1. Зробити відповідні висновки.

4. За даними завдання 3 за формулою (11) знайти період коливання маятника зміненої маси.

5. Результат зіставити із значенням, одержаним в п.1. Зробити відповідні висновки.

6. За даними завдання 4 за формулою (11) знайти період коливання маятника довжиною l.

7. Результат зіставити із значенням, одержаним в п.1. Перевірити справедливість співвідношення

 

.

8. Зробити висновки.

Додаткові завдання

 

1. Прийнявши для Вінниці φ = 49° та h = 250 м, за формулою (10) розрахувати g, за формулою (1) знайти теоретичне значення періоду коливань маятника та зіставити його з експериментальним значенням g. Зробити висновок.

2. Взявши g = 9,81 м/с² за формулою (4) знайти радіус Землі для 1 м. Вінниці. Результат порівняти з R₀.

Контрольні запитання для допуску

До виконання лабораторної роботи

1. Мета роботи.

2. Який маятник називається математичним?

3. При яких кутах відхилення математичного маятника від положення рівноваги, його коливання будуть гармонічними?

4. Записати та охарактеризувати закон всесвітнього тяжіння.

5. Як із закону всесвітнього тяжіння можна одержати прискорення вільного падіння?

6. Як залежить прискорення вільного падіння від висоти над поверхнею Землі?

7. Яке значення прискорення земного тяжіння називають нормальним або стандартним?

8. Як впливає на рух тіл відносно земної поверхні добове обертання Землі?

9. Охарактеризуйте дію гравітаційної сили і сили інерції на величину прискорення вільного падіння.

 

Контрольні запитання до захисту лабораторної роботи

 

1. Як визначається період коливань на лабораторній установці?

2. Як практично здійснюється визначення періоду коливань математичного маятника на лабораторній установці?

3. Як залежить період коливань маятника від кута відхилення маятника від положення рівноваги?

4. Чи залежить період математичного коливань маятника від довжини його підвісу?

5. Чи залежить період коливань математичного маятника від його довжини?

6. Від яких факторів залежить абсолютна та відносна похибки визначення періодів коливань математичного маятника?

7. Наведіть приклади застосування фізичного та математичного маятника.

Лабораторна робота № 4.3

Вивчення явища додавання

Гармонічних коливань

 

Мета роботи: оволодіти методами отримання та спостереження складних коливань на прикладі биття та фігур Ліссажу.

Прилади і матеріали: звуковий генератор, осцилограф.

 

 

Теоретичні відомості

 

1. Вивчення додавання однаково спрямованих коливань. Нехай матеріальна точка бере участь у двох гармонічних коливаннях:

 

; . (1)

 

При додаванні цих коливань з різними частотами ω ₁та ω ₂ виникають негармонічні коливання. Результуюче відхилення х у кожний момент часу дорівнює алгебраїчній сумі відхилень складових коливань.

У найпростішому випадку, коли початкові фази і ампулі-туди цих коливань A₁ = А₂ = А, маємо:

 

. (2)

 

Позначимо: ; .

 

Частота ω_сер називається середньою частотою, а ω_мод - частотою моду-ляції результуючого коливання:

А_мод(t) = 2Aсоs ω_мод t,

тобто вираз (2) з урахуванням позначень можна записати:

 

х = А_мод(t)sіп ω_сеp t.

 

Рис.1

 

Результуюче коливання можна розглядати як коливання, яке відбувається з кутовою частотою ω _сер та амплітудою А_мод(t), яка змінюється з часом за гармонічним законом.

Якщо додаються коливання з близькими частотами , то маємо ω_мод<<ω_сер і амплітуда А_мод(t) буде дуже повільно змінюватись протягом декількох коливань з частотою ω_сер. При додаванні таких двох коливань з близькими частотами виникають так звані биття, тобто коливання з частотою ω_сер та амплітудою А_мод, яка повільно змінюється від максимального значення 2А до нуля. При кожному перетворенні амплітуди А_мод в нуль, фаза стрибком змінюється на π. Періодом биття Т_б називається проміжок часу між двома послідовними моментами часу, при яких амплітуда А_мод перетворюється в нуль:

 

, (3)

 

де Т₁ та Т₂ - періоди коливань з частотами ω₁ та ω₂. Частотою биття називається величина:

 

. (4)

 

Період результуючого коливання:

 

.

 

Зміна за певним законом будь-якого з параметрів періодичних коливань (наприклад, амплітуди або частоти), яка здійснюється за час, значно більший, ніж період коливань, називається модуляцією коливань. Модуляція, яка зображена на рис.2, називається амплітудною модуляцією. Якщо А_мод(t) = const, а початкова фаза результуючого коливання φ(t) змінюється з часом:

 

,

 

то модуляція називається частотною.

Установка для спостереження биття складається з електронного осцилографа та двох звукових генераторів, сигнали від яких подаються на вертикально відхильні пластини осцилографа.

Частоти коливань, які додаються, повинні відрізнятися одна від одної на декілька герц. Тоді на екрані осцилографа буде спостерігатися стійка картина биття (див. рис.2).

2. Вимірювання частоти за методом фігур Ліссажу. Нехай точка одночасно виконує коливання вздовж осей координат ох та оу за законами:

 

, (5)

 

де А₁ та А₂,j та j₂ – відповідно амплітуди та початкові фази першого та другого коливань;

- циклічна частота.

 

 

Рис. 2

 

Виключивши з рівнянь (4) час t,одержимо рівняння траєкторії точки, яка бере участь одночасно в двох взаємоперпендикулярних коливаннях:

. (6)

 

Це - рівняння еліпса, характеристики якого визначаються величиною різниці фаз j₀₁ -j₀₂. Якщо , де m = 0;±1;±2;..., тоді осі координат ох та оу збігаються з осями еліпса, а розміри його півосей рівні амплітудам А₁ та А₂ :

.

 

Якщо, крім цього, А₁ = А₂, тоді траєкторія точки є колом. Такий результуючий рух точки М називають циркулярно поляризованими коливаннями, чи коливаннями, які поляризовані по колу.

У тих випадках, коли (m = 0; ± 1; ± 2;...), еліпс перетворюється у відрізок прямої:

.

 

Знак плюс відповідає парним значенням т, тобто додаванню синфазних коливань (рис.3), а знак мінус – непарним значенням т, тобто додаванню коливань, які відбуваються у протифазі (рис. 4). У цих випадках точка М здійснює лінійно поляризовані коливання. Вона гармонічно коливається з частотою коливань ω та амплітудою вздовж прямої лінії, яка утворює з віссю ох кут

 

.

 

Рис.3 Рис. 4

 

У випадку додавання взаємоперпендикулярних коливань з циклічними частотами pω та qω, де р та q - цілі числа, маємо:

; . (7)

Значення координат х та у точки, яка здійснює коливання, одночасно повторюється через однакові проміжки часу T ₀, які дорівнюють загальному найменшому кратному та періодів коливань вздовж осей ох та оу. Тому траєкторією точки М буде замкнена крива, форма якої залежить від співвідношення амплітуд, фаз та початкових фаз коливань, що додаються. Такі замкнені траєкторії точки М, яка одночасно здійснює гармонічні коливання в двох взаємоперпендикулярних напрямках, називаються фігурами Ліссажу. Фігури Ліссажу вписуються в прямокутник, центр якого збігається з початком координат, а сторони паралельні осям координат ох та оу і розташовані по обидва боки від них на відстанях, відповідно рівних А ₂та А ₁.

Відношення частот pω та qω коливань, що додаються, дорівнює відношенню числа дотиків q відповідної їм фігури Ліссажу зі стороною прямокутника, паралельною осі оу і зі стороною, паралельною осі ох. Тобто має місце співвідношення:

 

. (8)

 

На рис. 5 зображено вигляд фігур Ліссажу при трьох різних значеннях відношення (2:1, 3:2, 4:3) та різниці початкових фаз .

 

Рис.5

 

Установка для визначення невідомої частоти складається з двох звукових генераторів та електронного осцилографа. Схема їх ввімкнення зображена на рис.6. На вхід X осцилографа подається синусоїдальна напруга частотою v_x. Від другого генератора, частоту якого треба визначити, подаються сигнали на вхід Y. Отримуючи чітку фігуру Ліссажу та використовуючи співвідношення (7), знаходимо невідому частоту.

Рис. 6

Хід роботи

Завдання 1. Спостереження биття.

1. Ввімкнути осцилограф, генератори та дати їм прогрітися протягом 2..3хв.

2. З допомогою інженера або викладача синусоїдальні коливання близьких частот генераторів подати на вхід Y осцилографа. Добитися стійкої картини биття відповідно до рис. 2.

3. Провести вимірювання періоду биття T_б і середнього періоду гармонічних коливань T_сер у відповідності з рис. 2. Знайти відношення цих періодів коливань.

 

Завдання 2. Фігури Ліссажу.

1. Подати синусоїдальні коливання від обох генераторів, відповідно на вхід Y і вхід X електронного осцилографа.

2. Встановити першу частоту на генераторі ЗГх та, обертаючи ручку генератора ЗГ_Y, добитися стійкого зображення фігури Ліссажу.

3. На міліметрівці зрисувати з екрана отриману фігуру.

4. Підрахувати кількість точок р та q дотику фігур до сторін прямо-кутника.

5. Згідно з співвідношенням (7) знайти невідому частоту.

6. Зафіксувати отримане значення на частотному кільці генератора ЗГ_Y

7. Дані вимірювання навести для частот: 40,60,80,100,120,140,160,180 та 200Гц.

Контрольні запитання для допуску