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53歲的我怎麼開心怎麼玩

生活 更新时间:2024-09-02 00:15:20

彈簧大家一定不陌生

和金屬絲或者其他材質的繩子比,彈簧有什麼特征呢?


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和金屬絲相比,彈簧在彎曲方面有更好的韌性和彈性形變極限

并且彈簧不像繩子那樣松散,能夠将力很好地傳遞到其每一個位置

所以彈簧在很多教學實驗就是老師的好幫手啦!

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今天我們來玩點更有意思的

實驗器材

所标杯、彈簧、手套、所徽

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實驗過程

首先,我們來做一個複習:

将所徽挂在彈簧一端

(相比于彈簧,所徽質量可以忽略不計)

讓其在平面内擺動

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這時可以将彈簧近似地看作一個複擺

複擺運動的周期和等效長度呈正相關

随着彈簧長度增加,随着轉動慣量的增加,

往複周期就增加了

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如果我們将兩個垂直平面内的往複運動疊加起來

就可以合成一個圓周運動

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這個圓周運動有一個角速度下限

這個下限和形成圓周運動之前的擺動頻率有關

但是在此之上我們可以試着讓它轉的更快

相對的彈簧也會“飄“得更高

複習完畢,那我們開始玩起來

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捏住彈簧的一端

使其旋轉

不僅可以得到上圖中簡單的圓周運動

還可以得到和駐波類似的運動

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達成這個駐波的最小角速度條件

和彈簧在特定長度擺動的固有頻率有關

大家可以猜一猜這個長度占彈簧總長度的比值是多少?

(讓我看看機智的小夥伴在哪裡

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同樣的,在形成“駐波“之後

如果我們加速旋轉

彈簧整體也會擡升

轉動的手感還是很不錯的

和平面内的駐波比,旋轉起來的“駐波”更加穩定

大家也可以嘗試一下隻在一個方向上振動

結果會發現很難将擺動控制在一個平面内

彈簧會自然地開始轉動起來

那麼,能不能讓彈簧出現更多的波節呢?

我們可以先嘗試找到使其穩定振動的頻率

首先找到彈簧的1/5處(想想為什麼?)

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輕輕搖動一下

靜下心來感受它的振動

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然後以相同的頻率抖動彈簧

就可以成功的激發出更多的波節

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看,這樣旋轉的彈簧像不像随音樂起舞的蛇?

原理解說

(1)關于複擺

在小角度下複擺的周期公式為:

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其中I為彈簧繞着支點(手)的轉動慣量

小角度下不考慮彈簧的形變的話

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所以在小角度時振動周期的平方正比于彈簧長度

随着擺動角度和彈簧長度的增大,周期公式以及轉動慣量都會發生變化,但是整體上還是呈正相關的。

(2)關于複擺運動與圓周運動

在小角度時複擺近似地做簡諧運動,而在正交的兩個方向上,相位差為π/2的兩個簡諧運動可以合成為一個圓周運動。大家可以參考這樣一對參數方程

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當然了,随着圓周運動的角速度提高,整個系統就不能夠用由複擺近似的簡諧運動合成。此時圓周運動是以彈簧的離心力、重力和彈簧内部的拉力共同作用下平衡的。當然,由于彈簧在甩動時呈一條曲線,若想得到完整的表達式需要做一些微積分的計算。當然我們可以定性地去分析,随着圓周運動的角速度提高,彈簧受到的離心力必然是增大的,其與重力的合力與垂直軸的夾角也會變大,彈簧整體也就“浮起來“了。

(3)關于駐波

我們之前提到了兩個簡諧運動可以合成一個圓周運動,那麼反過來也是一樣,我們可以将旋轉的彈簧投影到平面上,讓它分解成兩個平面波。彈簧在手這一端是固定住的,在另一端是不固定的,所以形成駐波就是中學時我們學到的管内一端開一端閉的模式。那麼形成的前兩階駐波示意圖就如下:

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這也是我們找到駐波最靠近彈簧末端的位置分别為1/3以及1/5的原因啦~

編輯:荔枝

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