高中定量 · 初中直观拓展 · 波动 · 驻波与谐波

一根弦,怎样同时出现几个波腹?

两端固定、理想均匀弦,小振幅;振幅显示不代表实际米数。选择第三谐波,找到不动的波节。

问题的来处17—18世纪 · 梅森的弦与欧拉的波动理论

驻波弦:问题从哪里来?

为什么缩短琴弦会让声音变高?梅森总结弦长、张力与音调的实验关系,后来达朗贝尔和欧拉用波动方程研究振动弦。

读一段背景,带着问题动手

为什么缩短琴弦会让声音变高?梅森总结弦长、张力与音调的实验关系,后来达朗贝尔和欧拉用波动方程研究振动弦。

固定两端只允许特定的驻波模式。改变谐波阶数,找波节,再用张力和弦长解释频率;梅森属于17世纪,不能误写成18世纪人物。

现在,换你来试选择第三谐波,找到不动的波节。 固定其他条件,亲手将谐波阶数分别设为1和3,各核验一次;阶数增大,频率和波腹数怎样变化?

驻波弦

P21 / 波动
今天的问题

阶数增大,频率和波腹数怎样变化?

独立探索要做什么?

选择第三谐波,找到不动的波节。 固定其他条件,亲手将谐波阶数分别设为1和3,各核验一次;阶数增大,频率和波腹数怎样变化?

装置 · 尺寸示意,量值见读数看证据图 ↓
谐波频率31.6228 Hz0中线 · 各量独立标定波长2 m0中线 · 各量独立标定

弦长按窗口归一化显示;张力改变频率和播放速率,不改变给定相位的归一化波形。 图中量尺以0为中线,各量按默认值独立作非线性标定,长度不能跨量比较;精确数值与单位见读数。

青线:弦形端点:固定边界金点:内部波节
看这里 · 谐波频率31.6228 Hz

第1谐波有1个波腹,频率31.62 Hz;线密度固定0.01 kg/m。 弦长按窗口归一化显示;张力改变频率和播放速率,不改变给定相位的归一化波形。

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

0 °振动按真实频率的0.005倍慢放。
谐波频率
31.6228 Hz
弦波速
63.2456 m/s
波长
2 m

第1谐波有1个波腹,频率31.62 Hz;线密度固定0.01 kg/m。 弦长按窗口归一化显示;张力改变频率和播放速率,不改变给定相位的归一化波形。

证据图 参考解随题设重算 · 不计个人完成

启用交互后显示带单位曲线。

换个条件,再想一步

降低张力,所有谐波频率会怎样变化?

先预测,再观察。反例不会替你完成独立任务。

留下两组证据

仅当前页保留最近两组,刷新清除;第三组替换最早一组。保存模型条件与单位;恢复后重算,不恢复任务完成资格。

先留一组,再改变一个条件。

从观察到解释

把证据带回纸上

展开关系与推导

v=√(T/μ),fₙ=nv/(2L),y∝sin(nπx/L)cos(2πfₙt)。

固定哪些量?改变哪个量?列出两组数值,写出关系,再说明一个不能套用的条件。实验支持猜想,一般证明需要理由。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

阶数增大,频率和波腹数怎样变化?

换个条件,再试一次

降低张力,所有谐波频率会怎样变化?

看哪里?

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

先认识波动 · 驻波与谐波涉及的量与单位:谐波阶数(无量纲)、张力(N)、弦长(m)、振动相位(°)。高中定量 · 初中直观拓展为内容层次提示,未核对具体教材。

先看现象:选择第三谐波,找到不动的波节。

再做定量:保持其他条件,比较谐波阶数与谐波频率(Hz),再对照下方关系。

模型、来源与核验边界

v=√(T/μ),fₙ=nv/(2L),y∝sin(nπx/L)cos(2πfₙt)。

对照核验提示:基频:谐波阶数 1 ;第三谐波:只改变谐波阶数 3 。按这些题设自己操作并比较谐波频率,不把参考情景当个人完成。

适用范围:第1谐波有1个波腹,频率31.62 Hz;线密度固定0.01 kg/m。 弦长按窗口归一化显示;张力改变频率和播放速率,不改变给定相位的归一化波形。

OpenStax · Standing Waves(延伸阅读;链接和公式适用性尚需逐项外部复核) ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。