弦线上波的传播规律

实验仪器：
弦线上驻波实验仪（FD-FEW-II型）及其附件，包括：可调频率的数显机械振 动源、平台、固定滑轮、可动刀口、可动卡口、米尺、弦线、砝码等；分析天平， 卷尺。
图1 弦线上驻波实验仪示意图
1、可调频率数显机械振动源；2、振动簧片；3、金属丝弦线；4、可动刀口支架；
1/7
5、可动卡口支架；6、标尺；7、固定滑轮；8、砝码与砝码盘；9、变压器; 10、实验平台；11、实验桌
各种乐器，包括弦乐器、管乐器和打击乐器等，都是由于产生驻波而发声的。 为得到最强的驻波，弦或管内空气柱的长度必须等于半波长的整数倍。
实验目的：
1、观察弦振动及驻波的形成； 2、在振动源频率不变时，用实验确定驻波波长与张力的关系； 3、在弦线张力不变时，用实验确定驻波波长与振动频率的关系； 4、定量测定某一恒定波源的振动频率； 5、学习用对数作图法处理数据。
4
⑵ 当 cos 2 x 0 x (2k 1) ，k=0,1,2,……，振幅为零，为波节处。
4
相邻两波幅或相邻波节的距离都是半波长 2 。
3、λ、T、μ、 f 值的测量
⑴实验时，调节可动卡口⑤位置，使弦线上出现稳定的驻波，将指示刀口④放
至某一波节的正下方，设④、⑤间的间距为L，半波个数为n，则波长：
lg lgT
图，若得一直线，计算其斜率，如为
1
2
，则证明了
T
1 2
的关系成立；
同理，固定线密度 及张力T 不变，改变波源振动频率 f ，测出各对应波长 ，作
lg lg f 图，如得一斜率为 1的直线，就验证了： f 1 的关系。 将公式⑷变形，可得：
f 1 T
⑹
2/7
实验中测出λ、T、μ的值，利用公式（6）可以定量计算出 f 的值；若计算值和 试验值相吻合，也可以定量地证明了式⑷成立。
4/7
实验时须注意的问题：
1、注意安全用电。 2、振动仪的振幅要适当，不必过大；须在弦线上出现振幅较大且稳定的驻波时， 再测量驻波波长，并从波点开始测量。
3、弦线所受的张力是砝码与砝码钩的总重量，砝码和砝码钩的的质量均已标出。 4、实验时，发现波源发生机械共振时，应减小振幅或改变波源频率，便于调节 出振幅大且稳定的驻波。
。
f0
5
。(附上图)
5
。(附上图)
5
4、实验结果分析：
6/7
（1）实验结果1、2表明：lgλ- lgT的斜率非常接近0.5；lg λ-lgf 的斜率接近-1， 验证了弦线上横波的传播规律，即横波的波长λ与弦线张力 T 的平方根成正比，与 波源的振动频率 f 成反比。
（２）实验结果3表明：用驻波法可以测出波源的振动频率，测得值（f ＝
力。每改变一次张力(即增加一次砝码)，均要左右移动可动卡口⑤的位置，使弦线 出现振幅较大而稳定的驻波。用实验平台⑩上的标尺⑥测量L值，数出对应的半波 数，即可根据式(7)算出波长 （张力T 改变5次，每一张力T 下测2次 ，求其平均 值）；列表记录和处理数据，计算出 T ， lg lgT 的一一对应关系；在二维直 角坐标纸上用描点法作出 lg lgT 直线图，由图求出直线的斜率；分析实验所得 ~ T 间关系及其误差。
2、驻波原理
当两列振幅和频率相同的相干波在同一直线相向传播时，合成的波是一种波形 不随时间变化的波，称为驻波。我们可以在一根张紧的弦弦上观察到驻波，如图1 示，将弦线一端系在震动簧片上，弦线的另一端系一定质量的砝码，调节可动卡口 ⑤位置适中，就会在弦线上出现波幅、波节明显而稳定的驻波。
取x轴沿弦线向右，并将波源取为坐标原点，波源传出的入射波沿x正向传播，
波源振动频率的调节范围可控制在60~160Hz，为了使 lg lg f 直线图上的点 分布均匀一些，波源频率依次增加的量采取非等间距递增。
3、测定波源的振动频率 f 用卷尺、分析天平测弦线的线密度 。固定波源振动的频率为 f0 不变，在砝码
盘上依次添加砝码（5次），以改变弦上的张力，测每一张力下的稳定驻波的波长(2 次，求其平均值)。利用公式（6）算出 f ，将计算结果和实验时仪器所显示的频率 比较，分析两者的误差及误差来源。
Hz）
弦线型号:
，弦线长 l =
3Kg，弦线线密度μ ＝
Kg·m-1
m，弦线的质量M＝
5
×10－
5/7
（实验数据测量及记录参考“1” ）
数据处理与结果：（实验报告中写）
1、验证λ 与T 的关系 ( f ＝
Hz )
测量次数
1
2
3
4
T＝mg /N
λ/m
lgT
lgλ
根据以上数据作 lg lgT 图，由图求出其斜率为
Hz）接近于仪器显示的振动波源频率（f0 ＝
Hz）。
（３）实验误差来源分析：
实验结果1、2、3与理论值相比均有差别，产生误差的来源主要有以下几点：
ⅰ）……； ⅱ）……； ⅲ）……； …… ……
思考题：
1、实验中可能存在哪些误差？弦线的粗细和弹性对实验各有什么影响，应如何 选择？
2、测L 时，驻波的个数n 是多一些好还是少一些好？为什么？ 3、测量半波长时，为什么不测驻波波腹间的距离，而测波节之间的距离？ ４、为了使 lgλ - lgT 直线图上的数据点分布比较均匀，砝码盘中砝码质量应如 何改变？ ５、为了使 lg λ - lg f 直线图上的数据点分布比较均匀，波源的振动频率应如何 改变？ ６、注意发现和观察你身边的驻波现象，分析驻波现象的利与弊。
2L
⑺
n
3/7
⑵此时，跨过定滑轮的弦线所悬挂的砝码和砝码钩的总质量若为m，则弦线所 受的张力为：T mg 。
⑶设弦线的长为 l ，质量为M，则弦线的线密度（单位长度的质量）为： M 。 l
⑷波源的振动频率 f ，可以从仪器上直接读出，也可以通过公式⑹计算出。
实验内容及要求：
1、验证横波的波长 与弦线中的张力T 的关系（ f 不变） 固定波源振动的频率，在砝码盘上添加不同质量的砝码，以改变同一弦上的张
弦线上波的传播规律
实验介绍：
波动的研究几乎出现在物理学的每一领域中。如果在空间某处发生的扰动，以 一定的速度由近及远向四处传播，则这种传播着的扰动称为波。机械扰动在介质内 的传播形成机械波，电磁扰动在真空或介质内的传播形成电磁波。不同性质的扰动 的传播机制虽然不相同，但由此形成的波却具有共同的规律性。本试验利用弦线上 驻波实验仪，通过弦线上驻波的观察与测量，研究弦线上横波的传播规律。
波源的频率可固定在80~120Hz之间的某一个值上；为了使 lg lgT 直线图上的 点分布比较均匀些，砝码钩上依次增加砝码的量采取非等间距递增。
2、验证横波的波长 与波源振动频率 f 的关系（T 不变） 在砝码盘上放上一定质量的砝码，以固定弦线上所受的张力T ，改变波源振动
的频率，用驻波法测量各相应的波长 （ f 改变5次，每一 f 下测2次 ，求平均值）。 作 lg lg f 图，求其斜率；分析实验所得 ~ f 间关系及其误差。
参考文献：
1、沈元华，陆申龙主编. 基础物理实验. 高等教育出版社，2003：109~111 2、裴文瑄. 物理实验简明教程. 中国矿业大学出版社，1992：103~105 3、刘克哲. 物理学. 高等教育出版社，1999年第二版：172~177
7/7
入射波在⑤处受阻，产生半波损失并反射回来。入射波可表示为：
y1
A cos
2
(vt
x
)
反射波表示为：
y2
Acos 2
(vt
x
)
则合成波为：
y
y1
y2
(2 A cos
2 x) cos 2 vt
上式中， 2Acos 2 x 为驻波的振幅，是x的函数：
⑴ 当 cos 2 x 1 x 2k ，k=0,1,2,……，振幅最大，为波幅处；
实验原理：
1、弦线上横波传播规律
在一根拉紧的弦线上，其中张力为T，线密度为 ，则沿弦线传播的横波应满
足下述运动方程：
2 y t 2
T 2 y x2
⑴
式中 x 为波在传播方向（与弦线平行）的位置坐标， y 为振动位移。将(1)式与
典型的波动方程
2 y t 2
v2
2 y x2
相比较，即可得到波的传播速度：
2、验证 λ 与 f 的关系
张力 T＝mg＝
N
测量次数
1
2
3
4
f /Hz
λ/m
lgT
lgλ
根据以上数据作 lg lg f 图，由图求出其斜率为
3、测定波源的振动频率 f （ f0 ＝
Hz）
弦线型号： 测量次数
T /N λ/m f/Hz f /Hz
； 弦线的线密度μ ＝
Kg·m-1弦线
1
2
3
4
求 f 与 f0 间的相对误差：E = f f0 100% ＝
v T
⑵
若波源的振动频率为 f ，横波波长为 ；由运动学知识知， 、f 与v 关系为：
v f
⑶ห้องสมุดไป่ตู้
比较式⑵和式⑶可得：
1 T
⑷
f
为了用实验证明公式⑷成立，将该式两边取对数，得：
lg 1 lgT 1 lg lg f
⑸
2
2
若固定频率 f 及线密度 不变，而改变张力T ，并测出各相应波长 ，作
5、使用分析天平时要严格按照要求进行操作：先调底座水平，再调衡量水平； 取放物品和砝码时必须使衡量制动，动作要轻，要从侧门进行，且随开随关；取放 小片码时要夹牢，谨防掉落、丢失；注意保持分析天平的清洁。
实验原始数据纪录 ：（预习报告中写）
1、验证λ 与 T 的关系（f＝
Hz）
测量次数