又由图可得:,,。所以可得:
(5)
已知谐振方程为: (6)
所以可得:,()。 (7)
对于弦长、张力、线密度一定时,频率只有满足(7)式才能形成成稳定的驻波波形,同样的情况,只有当被带动弦线的长度也满足(7)式的时候,也才能形成稳定的驻波波形[8]。
实验装置如图所示[9]:
图2 音叉带动实验装置
注:A:电动音叉(固定频率),D:触片,E:电源,K:开关,B:滑轮,mg:砝码重量。
电动音叉的振动频率为固定的。所以只能测定波长与所挂钩码质量之间的关系,不能改变频率,只能测量固定频率的弦线驻波的数据,所以就不能测量出频率分别与波长和所挂砝码质量之间的关系。存在一定的缺陷。
1.2 实验仪器的改进
1.2.1 实验仪器
电磁继电器、小磁铁、信号发生器、弦线(已知线密度)、定滑轮、砝码、导线、开关、尺子等。
1.2.2 实验设计
利用电磁线圈,弹簧片,小磁铁设计出一个简便的电磁继电器。将电磁继电器接入信号发生器(可以产生频率不同的低压交流电)。通过调节信号发生器,可以产生不同频率的低压交流电,线圈中产生电流,从而可以产生磁场,吸引弹簧片发生振动。再带动弦线振动,产生驻波。
本实验将电动音叉带动弦线振动的驻波实验装置中的音叉改为电磁继电器,通过继电器的振动代替电动音叉的振动,而电磁继电器的振动可以通过改变输入电压信号的频率而改变电磁继电器振动的频率。从而达到控制振动的频率,而找出频率与其他量之间的关系。
1.2.3 电磁继电器工作原理
电磁线圈中通过电流可以产生磁场,通过的电流方向不同产生的磁场的方向也不同,电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成[10]。当线圈通电以后,铁芯被磁化产生足够大的电磁力,吸动衔铁并带动簧片使动触点和静触点闭合或分开,当线圈断电以后,电磁力消失,衔铁返回原来的位置。在电磁继电器的衔铁处固定一个磁性一定的小磁铁。再将电磁继电器连接上信号发生器,串联一个开关。电磁继电器线圈中通入电流的时候,会产生电磁力吸引衔铁。又信号发生器输入的交流信号有固定的频率,所以线圈产生的磁场方向会随着电流方向的变换而发生变化。假设线圈的两个接线端口一端的电势高于另一端时,线圈会产生吸引衔铁上小磁铁的磁场方向。所以在一端电势低于另一端的时候,线圈中就会产生排斥衔铁上先磁铁的磁场方向。在闭合开关的时候,电磁继电器的衔铁就会随着交流信号的变化而振动,交流信号的输入频率等于衔铁振动的频率。
1.2.4 实验原理图
图3 电磁继电器带动实验装置
注:D:弹簧,A:衔铁,S:电磁线圈,:信号发生器,S:开关,N:小磁铁,mg:砝码重量。
通过控制信号发生器的输出交流信号的频率,可以改变电磁继电器的振动频率。安装好已经设计好的实验装置,调节好频率,再调节弦线长度与砝码质量,调节出稳定的驻波波形,并记录数据。
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