Corda Vibrante Física Experimental III PL21 Trabalho realizado por: Beatriz Galante nº 56653 Eduarda Jorge nº 56655 Madalena Fernandes nº 56648 Professores: Daniel Galaviz José Figueiredo 20 de abril de 2022 1 Índice ● Parte 1- Introdução: Objetivo; Material; Montagem ● Parte 2- Contextualização Teórica: Procedimento; Contexto teórico ● Parte 3- Análise de dados: Dados obtidos; Gráficos; Análise ● Parte 4- Conclusão: Conclusão geral; Erros 2 Introdução Parte 1- Objetivo; Material; Montagem Objetivos “Neste trabalho pretende-se estudar ondas estacionárias numa corda vibrante de extremidades fixas. O estudo é efetuado em regime forçado, aplicando uma perturbação exterior e procurando as ressonâncias que vão ocorrer para valores da frequência idênticos às frequências correspondentes aos modos próprios de vibração da corda. A perturbação é, neste caso, gerada a partir da força de Lorentz, utilizando um íman que actua sobre um fio de cobre, que é percorrido por uma corrente alternada sinusoidal.” ● ● ● Determinar as frequências próprias de vibração para casos em que se tem diferentes valores de comprimento e tensão; Verificar assim o modelo para a propagação de ondas mecânicas numa corda; Analisar a relação entre diferentes grandezas (frequência, número de modos de vibração, tensão, comprimento). 4 Material 1. Fio de cobre; 2. Roldana; 3. Prato de balança e massas; 4. Apoio limitador do fio; 5. Osciloscópio; 6. Amplificador; 7. Gerador; 8. Ímans. 5. Osciloscópio 6. Amplificador 7. Gerador de sinais 5 Material 3. Massas 6 Montagem Fig.1: Aparato Experimental- Esquema 7 Montagem Disposição dos Ímanes Fio de cobre 8 Contextualização Teórica Parte 2- Procedimento; Contexto teórico Contexto teórico: Força de Lorentz Para fazer a corda vibrar recorreu-se a uma força de Lorentz criada a partir da corrente elétrica alternada que atravessa o fio de cobre e do campo magnético criado pelo íman. Força total que atua no segmento do fio. Fig.2: Força de Lorentz num fio condutor percorrido por uma corrente elétrica 10 Procedimento 1. Medir as massas (incluindo o prato). 2. Medir o comprimento do fio utilizado. 3. Distribuir os ímanes (de 1 a 4) de forma uniforme e com as polaridades opostas ao longo do comprimento L da régua. 4. Colocar uma folha de papel debaixo do fio para se observar melhor os modos de vibração. 5. Fixar uma das variáveis (comprimento ou tensão) e analisar a relação entre as outras, repetindo o processo, utilizando representações gráficas. 6. Repetir o processo para 3 comprimentos diferentes e 3 tensões diferentes. 11 Contexto teórico: Ondas estacionárias; Nodos e antinodos Ondas estacionárias - são oscilações periódicas que não se propagam ao longo do espaço e que são formadas a partir da sobreposição de duas ondas sinusoidais idênticas (𝜑1 e 𝜑2), com a mesma fase mas com sentidos opostos. 𝜑1=A·sen(k𝑥-⍵t) e 𝜑2=A·sen(k𝑥+⍵t) 𝜑1+𝜑2=2A·sen(k𝑥)·cos(⍵t) Nodos para os valores k𝑥=0,π,2π.. Antinodos para os valores k𝑥=π/2,3π/2,5π/2… Fig.3: Nodos e Antinodos. 12 Contexto teórico: Corda Vibrante; Modos próprios de vibração No caso de uma corda de extremidades fixas e comprimento L, os modos próprios de vibração terão comprimentos de onda e frequências correspondentes dadas por: v=λƒ Fig.4: Modos próprios de vibração 13 Análise de dados Parte 3- Dados obtidos; Gráficos; Análise Análise da frequência em função do número de ímanes f(x) = mx + b Graf. 1: Representação da frequência em função do número de ímans para diferentes valores de tensões, no caso em que L=50 cm. 15 Análise da frequência em função do número de ímanes 16 Análise da frequência em função do número de ímanes Graf. 2: Representação da frequência em função do número de ímans para diferentes valores de tensões, no caso em que L=55 cm. Graf. 3: Representação da frequência em função do número de ímans para diferentes valores de tensões, no caso em que L=60 cm. 17 Análise da frequência em função do inverso do comprimento f(x) = mx + b Graf. 4: Representação da frequência em função do inverso do comprimento para diferentes valores de n, no caso em que T = 0,83 N 18 Análise da frequência em função do inverso do comprimento 19 Análise da frequência em função do inverso do comprimento Graf. 5: Representação da frequência em função do inverso do comprimento para diferentes valores de n, no caso em que T = 0,86 N. Graf. 6: Representação da frequência em função do inverso do comprimento para diferentes valores de n, no caso em que T = 1,30 N. 20 Análise do quadrado da frequência em função da tensão f(x) = mx + b Graf. 7: Variação do quadrado da frequência em função da tensão com o comprimento fixo em 60,00 cm. 21 Análise do quadrado da frequência em função da tensão 22 Análise do quadrado da frequência em função da tensão Graf. 8: Variação do quadrado da frequência em função da tensão com o comprimento fixo em 50,00 cm. Graf. 9: Variação do quadrado da frequência em função da tensão com o comprimento fixo em 55,00 cm. 23 Conclusão Parte 4- Conclusão geral; Erros Observações: ● ● ● Caso instável de 4 ímanes; Limitação do gerador (208,3Hz); Massas utilizadas com valores próximos. Possíveis Erros: ● ● Caixa com as massas disponíveis Má distribuição da massa no prato; Erros de medição. Gerador de sinais 25 Conclusão: ● Verificamos assim o modelo para a propagação de ondas mecânicas numa corda: ● Determinamos os valores das frequências dos modos próprios de vibração da corda, presentes no apêndice. 26 Apêndice: (T ± (1,39×10−4))N 𝑓𝑛 (teórico) Hz ∆𝑓𝑛 (teórico) Hz (𝑓𝑛 (prático) ± 0,01) Hz 27 Apêndice: (T ± (1,39×10−4))N 𝑓𝑛 (teórico) Hz ∆𝑓𝑛 (teórico) Hz (𝑓𝑛 (prático) ± 0,01) Hz 28 Apêndice: (T ± (1,39×10−4))N 𝑓𝑛 (teórico) Hz ∆𝑓𝑛 (teórico) Hz (𝑓𝑛 (prático) ± 0,01) Hz 29 Apêndice: 30 Bibliografia e Referências ● ● ● ● ● Passa Sara: 1° Assunto : Ondas Física na mente: Força Magnética (lobophysics.blogspot.com) E1_Corda_Vibrante_Leitura (ulisboa.pt) E1_Corda_Vibrante_Realiz_Exp (ulisboa.pt) aulas_teoricas_Fis_Exp_III_2021_2022 (ulisboa.pt) 31