Экспериментальное задание, страница 74 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Экспериментальное задание

Изучив по материалам сети Интернет условие наблюдения фигур Хладни, соберите установку для их наблюдения.

Фигуры Хладни представляют собой узоры, которые образуются мелкими сыпучими частицами (песком, солью) на поверхности упругой пластины, совершающей колебания. Эти узоры являются наглядной визуализацией стоячих волн, возникающих в пластине.

Условия наблюдения фигур Хладни

Основным условием для наблюдения фигур Хладни является возникновение в пластине резонанса. Резонанс наступает, когда частота внешнего возбуждающего воздействия совпадает с одной из собственных частот колебаний пластины. При резонансе амплитуда колебаний резко возрастает, и в пластине устанавливается режим стоячих волн.

Стоячая волна характеризуется наличием:

• узлов (или узловых линий) — точек, которые остаются неподвижными (амплитуда колебаний равна нулю);

• пучностей — точек, которые колеблются с максимальной амплитудой.

Мелкие частицы, насыпанные на пластину, в процессе интенсивных колебаний "сбрасываются" с областей пучностей и скапливаются в спокойных зонах — на узловых линиях. Таким образом, узор из частиц повторяет геометрию узловых линий для данной резонансной частоты.

Вид фигуры Хладни зависит от:

• частоты колебаний (с ростом частоты узор усложняется);

• формы пластины (квадратная, круглая и т. д.);

• точки крепления пластины и точки возбуждения колебаний.

Сборка установки и проведение эксперимента

Для наблюдения фигур Хладни в лабораторных или домашних условиях можно собрать следующую установку.

Необходимое оборудование:

• Тонкая металлическая или стеклянная пластина (например, квадратная со стороной 20-30 см и толщиной 1-2 мм).
• Источник вибрации: им может быть механический вибратор (вибровозбудитель), подключенный к генератору звуковых частот, или, в более простом варианте, мощный динамик, к центру диффузора которого прикреплен жесткий стержень. В классическом опыте Эрнста Хладни использовался скрипичный смычок.
• Генератор звуковых частот (функциональный генератор) — для точного управления частотой вибраций.
• Штатив с зажимом для фиксации пластины.
• Мелкий сыпучий материал: сухой речной песок, поваренная соль, манная крупа или блёстки.

Порядок действий:

1. Закрепите пластину на штативе. Наиболее распространенный способ — закрепить ее горизонтально в центре, чтобы края могли свободно колебаться.
2. Подведите источник вибрации к пластине. Если это вибратор или стержень от динамика, он должен упираться в пластину снизу, как правило, в центре (или в другой точке, если вы хотите исследовать другие моды колебаний).
3. Равномерно посыпьте на поверхность пластины тонкий слой песка.
4. Включите генератор и, начиная с низких частот (например, 100 Гц), плавно увеличивайте частоту, наблюдая за поведением песка.
5. При достижении первой резонансной частоты вы заметите, как песок начнет активно перемещаться и собираться в четкие линии. Это и есть первая фигура Хладни. Зафиксируйте значение этой частоты.
6. Продолжайте медленно увеличивать частоту. Периодически узоры будут рассыпаться и затем формироваться в новые, более сложные фигуры, соответствующие более высоким резонансным частотам.
7. Если используется смычок, его следует водить по краю пластины перпендикулярно ему. Чтобы задать положение узловой линии, можно прикоснуться к другому краю пластины пальцем. Экспериментируя с местом возбуждения и точкой касания, можно получить различные фигуры.

Ответ: Для наблюдения фигур Хладни необходимо собрать установку, состоящую из закрепленной пластины, источника вибраций (например, вибровозбудителя, подключенного к генератору частот) и рассыпанных по пластине мелких частиц (песка). При возбуждении колебаний на резонансных частотах на пластине образуются стоячие волны, и частицы собираются на их узловых линиях, формируя видимый узор.