高等学校普通物理实验中心所研究的实验中,传统力学实验占了很大的一部分,其中弦振动实验又是重中之重,它是所有的学生都要去实验室做的实验,波的干涉、波的传播以及波的形成都是通过弦振动实验来研究的。在弦振动实验中,给弦线加上交流电,XZDY-B型均匀弦振动仪器发出一个交变磁场,由磁场的性质可知,弦线在磁场中会受到安培力,正因为弦线受力,所以在交变磁场中会产生振动,满足一定的条件时,可以观察到驻波的波形,从而得出相关的物理量,比如弦线上波的传播速度、弦线的线密度以及波长,可以进一步研究驻波的传播规律[1]: 张力一定时, 与 成正比反比关系;频率一定时, 与张力 成正比关系。23536
为了更清晰明确的研究弦振动实验,理清实验的思路和基本原理,要采用一些软件来作图,比如MATLAB或者Origin软件,用这一类的软件可以处理我们实验中得出的大量数据,拟合直线或者曲线来展现实验中隐含的物理规律等,以软件处理数据为基础,可以检验和判断数据是否真实性较好,避免了实验中的一些错误,同时为进行下一步实验奠定了基础。[1]
弦振动实验也可以测量形状规则固体的密度,李应发[2]就以此方法为基础测量固体密度,通过得出的大量数据,验证了该实验方法的可行性。对于形状不规则的固体,流体静力称衡法、重瓶法都是测量固体密度的基本方法,因为它的体积无法准确测量,虽然课用天平直接测出它的质量,但没有体积,密度终究是算不出来的,所以不能用常规的方法来测量其密度。用流体静力称衡法来和弦振动法测其密度,密度实验公式 可以求出被测物体的密度为 ,而用弦振动来测量依照原理公式 测出相应的 为: 。不难发现,两种方法测出的密度结果大体相同,相对不确定度为0.00211%,结果很理想。所以,测量不规则固体的密度也可以用弦振动方法来测量,此方法比较新颖,操作方便,通过刚才的验证和对比,所得出的测量数据结果也是接近理论值的。论文网
弦线振动的研究规律有很多,其中它可以与伸长法测量钢丝杨氏模量相结合,演化出一种新的测量金属丝杨氏模量的新方法,这是由刘艳峰[3]设计实验并提出的,物质材料在其弹性限度内抗压、抗拉的能力可用杨氏模量来表示,材料沿着纵向的弹性模量可用杨氏模量来描述,在材料力学中,杨氏模量是常用的名词,材料本身的物理性质[4-6]决定着杨氏模量的大小,在他研究做实验的过程中,从他的测量结果可看出,所测得的数据结果与标准值比较误差很小,其实验方案可行,同时也反映了弦振动仪器应用很广泛。
一个两端固定的钢线弦,当它接收外部激励时会产生震荡。这个钢线弦的振荡频率将会随着张力和外部激励的变化而变化。有一定的张力,激发力越强,振荡频率就会越高,同样的一定的激励力量,弦的张力越大,振荡频率就会越高。实践和理论表明,刺激力量应该只是为了文持正常的弦振动,为使振荡频率稳定,最稳定的振荡频率是最低的频率(称为基频)。[7]
弦振动方程可以研究弦振动实验中驻波的形成过程,实验过程中,存在空气阻力,弦振动方程可以通过数值求解有界弦的强迫振动方程算出空气阻力以及弦的长度在驻波产生中带来的影响,王荣,牛英煜[8}就是利用弦振动方程来这样求解的,结果显示出,不同时刻靠近振源处的波节的位置是不同的,波节位置变化的幅度与空气阻力的大小成正比关系;所形成的驻波其波腹的振幅大小与弦线的长度成反比关系[9-14]。
半波损失可以通过受力分析进行解释,牛顿定律可以导出弦线上的波速,贾金萍,张鹏[15]就是这样导出弦线上波速的,并详细研究了振动的弦线上驻波的能量,给出了这样的结论:在波腹处时,各个质点的弹性势能为零且质点没有形变,所以质点的动能密度就是其能量密度;在波节处,各个质点的动能为零,因为它是静止的,所以质点的势能密度就是其能量密度,在相邻的波腹、波节段中,能量是密封的,不存在能量的传递,因次,驻波与行波最大的差异是驻波中不存在能量的定向传播,也就是不存在单一方向的能量流[16]。 弦振动实验国内外研究现状:http://www.751com.cn/yanjiu/lunwen_16645.html