КОМПЛЕКТ 3. "Механические колебания" (5 маятников)

КОМПЛЕКТ ПОСТАВКИ

Маятник Обербека 1 шт.

Набор грузов (2 шт.) 1 набор.

Маятник Максвелла 1 шт.

Физический маятник в сборе 2 шт.

Шкала большая 1 шт.

Шкала малая 2 шт.

Пружина связи 1 шт.

Упругий привод 1 шт.

Пружина с осью и визиром 1 шт.

Шкала вертикальная 1 шт.

Штатив 1 шт.

УСТРОЙСТВО И РАБОТА ПРИБОРА

Маятник Обербека

Прибор представляет собой маятник Обербека (рис.1), состоящий из вращающегося центра 1, в котором имеется четыре взаимно перпендикулярных резьбовых отверстий. В отверстия ввинчены стержни 2, 3, 4 и 5, на которых размещены одинаковые грузы, зафиксированные винтами на равном удалении от оси вращения.

В резьбовое отверстие на торцевой поверхности вращающегося центра ввернут стержень, на который наматывают нить, закрепленную в отверстии стержня в средней его части. На нить навешивают груз 6 массой 100 или 200 г и отпускают. Под действием силы тяжести груза маятник раскручивается. По мере опускания груза скорость вращения маятника увеличивается и достигает максимального значения в момент, когда груз оказывается в нижнем положении. Вращение маятника продолжается по инерции и сопровождается подъемом груза - нить начинает наматываться на стержень. Процесс многократно повторяется, демонстрируя преобразование потенциальной энергии поднятого груза в кинетическую энергию вращающегося маятника и наоборот, а также потери энергии на трение.

Для крепления маятника Обербека служит отверстие в верхней части штатива, в которое вставляют ось маятника и фиксируют ее барашком.

Маятник Максвелла

Для возникновения колебательного процесса тело маятника 1 (рис.2) поднимают и одновременно вращают вокруг оси 2, наматывая нити 3 на ось. В верхней точке маятник отпускают. Падение маятника сопровождается его вращением вокруг оси.

После прохождения нижней точки вращение маятника продолжается по инерции, нити вновь наматываются на его ось, но уже в противоположном направлении. Маятник вновь поднимается вверх до верхней точки и т.д.

Процесс многократно повторяется с постепенным затуханием из-за потерь энергии. При демонстрации маятника Максвелла следует подробно рассмотреть преобразования его энергии.

Для подвешивания маятника Максвелла используются полуоси 4, которые вставляются в отверстия в верхнем горизонтальном отрезке трубы штатива и крепятся барашками.

Физический маятник

Физический маятник (рис. 3) состоит из стального стержня 1, верхний конец которого зафиксирован в отверстии вращающегося центра 2, а нижний служит для навешивания груза 3, закрепленного винтом на нужной высоте, что определяет длину маятника и, следовательно период его колебаний.

Для оценки амплитуды колебаний и ее изменений в процессе затухания служит шкала 4, ось которой крепят винтом в отверстии нижней поперечной трубы штатива.

Для демонстрации вынужденных механических колебаний служит гибкий привод 5, который надевают на верхний конец стержня и раскачивают маятник, надавливая с небольшим усилием в направлении стрелки F. Одновременно поясняют, что для получения развивающегося колебательного процесса необходимо выполнение условия баланса фаз.

Связанные маятники

Пара физических маятников 1 и 2 (рис. 4) связаны между собой мягкой пружиной 3, посредством которой энергия колебаний одного маятника передается второму. Если маятники имеют одинаковую длину, периоды их колебаний также одинаковы. В этом случае колебания одного маятника со временем прекратятся, тогда как второй маятник раскачается почти до исходного значения амплитуды. Начнется обратный переход энергии от второго маятника к первому и т.д. Ясно, что чем меньше потери, тем дольше будет длиться этот процесс.

В этом эксперимента можно также продемонстрировать условия возникновения вынужденных колебаний с помощью упругого привода 4.

Шкалы 5 служат для наблюдения развития колебаний.

Пружинный маятник

Пружинный маятник (рис. 5) состоит из пружины 1, с визиром 2 и шкалы 3 с нулем посередине, которая крепится на стержне 4. Предварительно необходимо установить шкалу на такой высоте, чтобы ее нулевое деление совпадало с визиром нагруженной пружины.

Для возникновения колебательного процесса грузы отводят строго вниз, растягивая пружину, и отпускают. По шкале наблюдают симметричные отклонения визира от исходного положения.

Пользуясь шкалой и грузами известной массы (в комплекте грузы по 100 г) можно определить параметры пружины и рассчитать период колебаний маятника.