ВВЕДЕНИЕ. Тело, подвешенное на пружине и выведенное из положения равновесия, совершает гармонические колебания

Тело, подвешенное на пружине и выведенное из положения равновесия, совершает гармонические колебания.

Гармоническими называются колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса и косинуса.

Для механических колебаний это означает, что смещение тела х от положения равновесия происходит по закону:

х = х₀ Ч sin (ωt +φ), (1)

где х₀ - амплитуда (максимальное отклонение от положения равновесия);

ω= 2πν = - циклическая частота (ν - частота колебания; Т - период);

t - время, в течение которого совершается колебательный процесс;

φ - начальная фаза;

(ωt +φ) - фаза колебания, определяющая состояние системы в момент времени t.

Рассмотрим пружинный маятник (рис. 1), состоящий из легкой пружины, имеющей достаточно большое число витков, и тела массой m. Если оттянуть тело маятника строго вертикально вниз на небольшое расстояние и отпустить, то маятник начнет совершать колебания только вдоль вертикальной линии (колебания с одной степенью свободы). Колебание тела на пружине в вертикальном направлении происходит под действием двух сил: силы тяжести и упругой силы пружины. При отклонении маятника из положения равновесия будет возникать внутренняя возвращающая сила упругости, направленная к точке равновесия. Если величина отклонения маятника мала (много меньше первоначальной длины маятника), можно воспользоваться законом Гука:

F = – k×x, (2)

где k - коэффициент жесткости пружины, зависящий от ее геометрических размеров и материала, из которого она изготовлена.

По второму закону Ньютона:

F = m×a = – k×x;

.

Тогда уравнение гармонических колебаний получим в виде:

. (3)

Общее решение этого уравнения имеет вид:

. (4)

Действительно:

, (5)

. (6)

Подставляя в левую часть уравнения (3) выражение (6), а в правую - значение х из (4), приходим к тождеству, что означает правильность выбора решения в виде уравнения (4).

Из уравнений (4) и (1) следует, что циклическая частота колебаний зависит от коэффициента жесткости пружины и массы колеблющегося тела:

. (7)

Значение начальной фазы определяется в каждом конкретном случае из начальных условий.

Обобщая вывод, сделанный выше, можно утверждать, что гармонические колебания будут совершаться и при действии на тело силы любой природы, лишь бы она подчинялась уравнению (2). Силы или результирующие силы, хотя и неупругие, но подчиняющиеся уравнению (2), называются квазиупругими. Примером такой силы является результирующая двух сил (силы тяжести и силы натяжения нити), возникающая при отклонении пружинного маятника из положения равновесия.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для расчета частоты колебаний груза на пружине необходимо изменяя массу груза m определить коэффициент жесткости пружины k. Кроме того, нужно быть уверенным, что коэффициент k будет постоянным в достаточно широком диапазоне нагрузок и деформации пружины.

1. Определим k через приращение силы ΔF и приращение смещения Δx:

k =ΔF/Δx.

Для этого на чашечку, подвешенную к пружине, следует класть гирьки так, чтобы нагрузка увеличивалась каждый раз на 20 г, и, соответственно, производить отсчет x_i положений чашечки и пружины.

Растяжение пружины отмечают с помощью указателя (горизонтального кусочка проволоки, укрепленного в нижней части пружины). Для избежания ошибок из-за параллакса используют зеркальную шкалу. Для правильного отсчета показаний глаз следует расположить на такой высоте, чтобы указатель совпал со своим изображением в зеркале, укрепленном рядом со шкалой. Затем, не изменяя положения головы, производят отсчет по шкале.

По разности x_i до и после нагрузки определяют Δx для соответствующей нагрузки: ΔF = Δmg.

Δx_i=|x_i - x_i-1|

Чтобы убедиться, что не произошло неупругих деформаций пружины, необходимо произвести отсчеты и при уменьшающейся нагрузке. Если при разных нагрузках значения коэффициента k в пределах погрешности получаются одинаковыми, то закон Гука выполняется во всем диапазоне нагрузок. В этом случае можно определить среднее значение k.

2. По формуле (7) рассчитать циклическую частоту ω (при расчете обратите внимание на систему единиц). Результаты измерений занесите в таблицу, определите относительную и абсолютную погрешности w.

Таблица

№ п/п	m, кг	xi, м	Δxi, м	k, H/м	w, рад/c	wў, рад/c
	0.02
	0.04
	0.06
	0.08
	0.10
	0.12
	0.10
	0.08
	0.06
	0.04
	0.02
Среднее значение

3. Необходимо экспериментально проверить рассчитанную циклическую частоту ωў. Для этого с помощью секундомера определяют время t числа N полных колебаний, откуда

Опыт выполняется следующим образом.

На чашечке устанавливают груз m=0,1 кг, для которого по формуле (7) был произведен расчет w.

Слегка оттянув чашечку (строго вертикально вниз), приводят груз в колебание.

Измерение времени не рекомендуется начинать с момента запуска. После нескольких качаний, усвоив темп счета, запускают секундомер в момент, когда груз занимает крайнее нижнее положение (либо крайнее верхнее). В момент запуска секундомера начинают счет колебаний с цифры "ноль" (а не "один"). Для одного и того же числа полных колебаний N (N і 20) определяют время колебаний t не менее трех раз. При этом не обязательно каждый раз останавливать чашечку с грузом, а затем снова ее запускать.

Расхождение в измеренных промежутках времени не должно сильно превышать погрешность секундомера (Dt = 0.2 с). Кроме того, если обнаружится расхождение во времени t больше, чем t /N, это означает, что при подсчете числа колебаний допущен просчет.

По измеренным t найти t_ср. Используя t_сp и число полных колебаний N, определите Т и ωў.

6. Сравните результаты для w и w' с учетом их абсолютных погрешностей для m=0,1 кг.

7. Рассчитайте массу чашечки. Поясните, как вы это сделали.

Рекомендуемая литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. T. I. - Киев: Наука, 1977. § 14, 49, 50, 53, 54.

2. Архангельский М.В. Курс физики: механика. - М.: Просвеще­ние, 1975. С. 62-72, 224-237, 297-305.

3. Грабовский Р.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1970. § 10, 27, 29.

4. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. T. I. - М.: Наука, 1967. § 58, 59, 60, 61. С. 277-287.

5. Мэрион Дж.Б. Общая физика с биологическими примерами. - М.: Высшая школа, 1986.

6. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1988.