Демонстрація згасаючих і вимушених
При вивченні механічного резонансу в курсі загальної фізики використовуються демонстраційні досліди, суть яких полягає, як правило, в спостереженні вимушених коливань пружинного Маят-ника. Однак, отримати стійкі коливання такого маятника в ін-Терес інтервалі частот досить важко. Неможливо, зокрема, т-ти, досить чітко показати зміна фазових співвідношень між-ду змушує силою і зміщенням маятника при проходженні че-рез резонанс.
Для демонстрації властивостей механічної коливальної систе-ми можна використовувати нескладну установку (рис 2). Пружна сталь-ва лінійка 1 затиснута на одному кінці в тримачі 2. З протилежного боку лінійки приклеєний невеликий керамічний магніт 3. Вимушені коливання вільного кінця лінійки збуджуються за допомогою елек-тромагніта 4, підключеного до генератора звукової частоти 5. Ін-дікація коливань лінійки здійснюється за допомогою пучка лазер-ного випромінювання, що відбивається від дзеркальця 7, приклеєного до лінійки. Для порівняння фази коливань з фазою змушує сили в установці проводиться сканування лазерного пучка в горизон-тальної площини з частотою і фазою змушує сили. Це ска-вання здійснюється за допомогою спеціального дефлектора. От-ража дзеркальце 8 в ньому приклеєне еластичним клеєм через ліг-кі дерев'яні брусочки з одного кінця до нерухомого обода диф-фузора електродинамічного гучномовця 9, а з іншого - не-посередньо до дифузора. При підключенні гучномовця до генератора послідовно з котушкою електромагніту коливання дифузора, що відбуваються з частотою і фазою змушує сили, перетворюються в гармонійні повороти дзеркальця 8. Пучок світла послідовно відбивається від дзеркал 7 і 8 і падає на віддалений екран з вертикальною шкалою. Коливання лінійки викликають руху-ня світлової плями на екрані по вертикалі, повороти дзеркальця 8 - по горизонталі. В результаті на екрані утворюється еліпс, Орієнтир-ція осей якого залежить від співвідношення фаз в коливаннях лінійки і змушує сили. Загасання в коливальній системі регулюючи-ться зануренням штирі 10, приклеєного до лінійки, в кювету 11 з водою.
Демонстраційний експеримент починається з показу резонанс-них властивостей коливальної системи. Перебудовою генератора изме-вується частота змушує сили; на деякій частоті p ампли-туди коливань різко зростає. Ширина резонансної лінії визна-виділяється як різниця між частотами 1> p і 2 p. при кото-яких амплітуда коливань становить 0.7 від максимальної. Перехо-дние процеси наростання і загасання коливань в системі спостерігаючи-ються при замиканні і розмиканні ланцюга електромагніту. При цьому виявляється залежність характеру процесу встановлення колі-баний від частоти змушує сили. Якщо збігається з резонанс-ної частотою (близькою при малому терті до частоти власних колі-баний), то спостерігається монотонний в часі перехідний процес. Якщо ж відповідає схилу резонансної лінії, то суперпозиція власних і вимушених коливань призводить до перехідного процесу, який графічно описаний на графіку 1.
Потім зануренням штирі 10 в воду знижується добротність коливальної системи. Показується, що це призводить до зниження резонансної частоти, зменшення амплітуди коливань і розширені-нию резонансної лінії. При демонстрації перехідних процесів звертається увага на те, що при зростанні опору сере-ди не тільки згасання, а й наростання коливань в системі від-ходять швидше.
Для дослідження фазових співвідношень між змушує силою і деформацією лінійки в ланцюг генератора послідовно з котушкою електромагніту вмикається гучномовець 9. У цьому випадку промінь лазера робить додаткові коливання в горизон-тальної площини з частотою і фазою змушує сили. При нас-трійці на резонанс світлову пляму на екрані описує еліпс. Одна його вісь розташована горизонтально, інша - вертикально. Це відпо-ветствует різниці фаз між змушує силою і зміщенням, рівній / 2. При зниженні частоти коливань в межах резонанс-ної лінії вісь еліпса відхиляється від вертикалі, що відповідає 0