лабы 4кл

Факультет материаловедения

и обработки металлов давлением

Кафедра физики

Компьютерная лаборатория по физике. Часть IV. Колебания и волны

Новокузнецк

2006

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра физики

Компьютерная лаборатория по физике. Часть IV. Колебания и волны

Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплинам «Физика» и «Концепции современного естествознания» для студентов всех специальностей

Новокузнецк

2006

1

УДК 539.4(075) К12

Рецензент Доктор химических наук, профессор,

зам.директора по научной работе Новокузнецкого филиал-института Кемеровского государственного университета Ф.И. Иванов

К12 Компьютерная лаборатория по физике. Часть 4. Колебания и волны: Метод.указ. / Сост.: С.В. Коновалов, Е.В. Мартусевич, В.В. Пискаленко, В.Е. Громов, В.А. Малиновская // СибГИУ. - Новокузнецк: 2006. – 36 с.

В данном издании приведены методические указания к выполнению ряда компьютерных лабораторных программ, моделирующих различные физические процессы по следующим разделам: гармонические колебания, волновые процессы.

Предназначено для студентов всех специальностей.

2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………… 4

Лабораторная работа 4.1кл «Механические колебания»……………… 9 Лабораторная работа 4.2кл «Свободные колебания в контуре»………. 14 Лабораторная работа 4.3кл «Вынужденные колебания в RLC–

контуре»……………………………………………………………………. 19

Лабораторная работа 4.4кл «Изучение собственных колебаний струны»……………………………………………………………………... 24

Лабораторная работа 4.5кл «Изучение основных свойств механических волн»………………………………………………………. 28

Список литературы………………………………………………………... 35

3

ВВЕДЕНИЕ

Данный сборник содержит описания к лабораторным работам, в которых используются компьютерные модели из курса «Открытая Физика», разработанного компанией «Физикон».

Для начала работы необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, когда ее маркер расположен над эмблемой сборника компьютерных моделей. После этого появится начальная картинка, имеющая следующий вид:

После этого необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, установив ее маркер над названием раздела, в котором расположена данная модель. Для квантовой физики вы увидите следующую картинку, Вам же нужно выбрать раздел «Механические колебания и волны»:

4

Чтобы просмотреть дальнейшие пункты содержания данного раздела, надо щелкать левой кнопкой мыши, установив ее маркер на кнопку со стрелкой вниз, расположенную в правом нижнем углу внутреннего окна.

Кнопки вверху картинки являются служебными. Предназначение каждой отображается, когда маркер мыши располагается над нею в течение 1..2 секунд (без нажатия кнопок мыши). Очень важной является кнопка с двумя вертикальными чертами « », которая служит для остановки эксперимента, а рядом расположенные кнопки – для шага «X » и продолжения «XX» работы.

Прочитав названия во внутреннем окне, установите маркер мыши над названием требуемой компьютерной модели и дважды быстро нажмите левую кнопку мыши.

Рассмотрите рисунок на с.5. В появившемся внутреннем окне сверху также расположены служебные кнопки. Кнопка с изображением страницы служит для вызова теоретических сведений. Перемещать окна можно, зацепив мышью заголовок окна (имеющий синий фон). Для закрытия окна надо нажать мышью кнопку с крестом в верхнем правом углу данного окна.

Допуск к лабораторной работе

Проводится преподавателем позвенно с персональным опросом каждого студента. Для допуска:

* Каждый студент предварительно оформляет свой персональный конспект данной ЛР (см. соответствующие требования);

5

*Преподаватель индивидуально проверяет оформление конспекта и задает вопросы по теории, методике измерений, установке и обработке результатов;

*Студент отвечает на заданные вопросы (письменно в черновике конспекта или устно);

*Преподаватель допускает студента к работе и ставит свою подпись в конспекте студента (графа ДОПУСК в табличке на обложке).

Оформление конспекта для допуска к лабораторной работе

Конспект для допуска к ЛР готовится заранее на двойных листах из школьной тетради в клетку (4-5 двойных листов в зависимости от почерка).

Первая страница (обложка):

Допуск Измерения Установка Зачет

Лабораторная работа N__ Название:

Выполнил:

студент группы _____

ФИО_______________

Дата выполнения: ____

Дата сдачи: _________

6

Следующие страницы:

				Цель работы: (переписать полностью
				из описания).
				Краткая теория (выписать основные
ЧЕРНОВИК				формулы и пояснить каждый символ,
				входящий в формулу).
(здесь и далее на этой стороне				Экспериментальная		установка
				(нарисовать чертеж и написать
должны	быть представлены все			наименование деталей).
расчеты,	включая	расчетные		Таблицы (состав таблиц и их
формулы	и подстановку	числовых		количество		определить
значений)				самостоятельно	в соответствии с
				методикой измерений и обработкой
				их результатов).
				Оформление	отчета	(переписать
				полностью из описания). Этот раздел
				в описании может иметь и другое
				название, например, «Обработка
				результатов и оформление отчета».

Оформление лабораторной работы к зачету

Полностью оформленная и подготовленная к зачету работа должна соответствовать следующим требованиям:

Выполнение всех пунктов раздела описания «Оформление отчета» (в черновике представлены все расчеты требуемых величин, заполнены чернилами все таблицы, построены все графики).

Графики должны удовлетворять всем требованиям, приведенным ниже.

Для всех величин в таблицах должна быть записана соответствующая единица измерения.

Записаны выводы по каждому графику (см. ниже шаблон). Выписан ответ по установленной форме (см. ниже шаблон). Записаны выводы по ответу (см. ниже шаблон).

7

ГРАФИК (требования):

•на миллиметровке или листе в клетку, размер не менее 1/2 тетрадного листа;

•на графике: оси декартовой системы, на концах осей – стрелки, индексы величин, единицы измерения, 10N;

•на каждой оси – РАВНОМЕРНЫЙ МАСШТАБ (риски через равные промежутки, числа через равное количество рисок);

•под графиком – полное название графика СЛОВАМИ;

•на графике – экспериментальные и теоретические точки ярко;

•форма графика соответствует теоретической зависимости (не ломаная).

ВЫВОД по ГРАФИКУ (шаблон):

Полученный экспериментально график зависимости __________________

название функции словами

от ______________ имеет вид прямой (проходящей через начало

название аргумента

координат, параболы, гиперболы, плавной кривой) и качественно совпадает с теоретической зависимостью данных характеристик, имеющей вид ______________.

формула

ОТВЕТ: По результатам измерений и расчетов получено значение

_________________________ , равное _____ = ( ___ ± ____ ) ·10 ___ _______

название физической характеристики

символ среднее ошибка степень ед. измер

ВЫВОД по ОТВЕТУ (шаблон):

Полученное экспериментально значение величины _________________,

полное название словами

равное _________________, с точностью до ошибки измерений,

число, единица измерения

составляющей ________________ , совпадает (не совпадает) с табличным

число, единица измерения

(теоретическим) значением данной величины, равным ________________.

число, единица измерения

8

Лабораторная работа 4.1кл «МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ»

Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебнике (Савельев, т.1, § 49, 50, 53, 58). Запустите программу. Выберите «Механика», «Механические колебания и волны» и «Свободные колебания» (сначала математический маятник, потом груз на пружине). Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ еще раз.)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

•Выбор физических моделей для анализа движения тел.

•Исследование движения тела под действием квазиупругой силы.

•Экспериментальное определение зависимости частоты колебаний от параметров системы.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

КОЛЕБАНИЕ – периодически повторяющееся движения тела. ПЕРИОД T – минимальное время, через которое движение

полностью повторяется.

ГАРМОНИЧЕСКОЕ КОЛЕБАНИЕ – движение, при котором координата тела меняется со временем по закону синуса или косинуса:

A = A0 cos(ω0t +ϕ0 ) .

Основными характеристиками гармонических колебаний являются: АМПЛИТУДА А0 – максимальное значение параметра А. ЦИКЛИЧЕСКАЯ ЧАСТОТА собственных колебаний ω0 – в 2π раз

большая обычной или линейной частоты ν = 1/Т (ν – число полных колебаний за единицу времени).

ФАЗА (ω0t + ϕ0) – значение аргумента косинуса.

НАЧАЛЬНАЯ ФАЗА ϕ0 – значение аргумента косинуса при t = 0. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ свободных гармонических

колебаний параметра А:			d 2 A	2	A = 0 , свободных затухающих колебаний:
			dt 2	+ω0
d 2 A	+2β dA	+ω02 A = 0 , где β – коэффициент затухания.
dt 2	dt

МАТЕМАТИЧЕСКИЙ МАЯТНИК (ММ) и ПРУЖИННЫЙ МАЯТНИК (ПМ) – это МОДЕЛИ объектов, в которых могут происходить гармонические колебания.

ММ– это материальная точка, подвешенная на идеальной (невесомой

инерастяжимой) нити.

9