Zentrale Experimente Physik GOSt
Notieren Sie zunächst ohne eingeschalteten Erreger die Schwingungsdauer des frei schwingenden Federpendels anhand des Monitor-Diagramms.
Schalten Sie nun den Exzenter-Motor ein und wählen Sie eine beliebige Erregerfrequenz.
Beobachten Sie die Veränderungen im Schwingungsverhalten des Resonators, warten Sie die Beendigung des Einschwingvorgangs ab (nicht allzu große Dämpfung einschalten) und bestimmen Sie wieder seine Schwingungsdauer.
Vergleichen Sie sie mit der Schwingungsdauer des Erregers.
Variieren Sie jetzt - hinreichend langsam (immer Einschwingvorgang abwarten) - die Erregerfrequenz $f_{Err}$ im gesamten Intervall $0 Hz \leq f_{Err} \leq2 Hz$ und beobachten Sie die Veränderungen in den $s_{Res}(t)$- und $s_{ Err }(t)$-Kurven sowohl hinsichtlich ihrer Position zueinander in Richtung der $t$-Achse als auch in Richtung der $s$-Achse.
Ermitteln Sie diejenige Frequenz des Erregers, bei der der Resonator mit größtmöglichen Amplituden reagiert. Man nennt dies den Resonanzfall und die Frequenz Resonanzfrequenz.
Was fällt hinsichtlich dieses Frequenzwertes zusätzlich auf?
Ermitteln Sie für die Resonanzfrequenz die zeitliche Veschiebung zwischen Erreger- $s_{ Err }(t))$ und Resonatorkurve $s_{Res}(t)$.
Ermitteln Sie für sehr kleine und für sehr große Werte von $f_{Err}$ die Verschiebung zwischen $s_{Res}(t)$- und $s_{Err }(t)$-Kurve in Richtung der Rechtsachse.
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Voruntersuchungen zu erzwungenen Schwingungen mit dem IBE
Das folgende Video zeigt zusammenfassend das qualitative Verhalten eines mehr oder weniger gedämpft schwingenden Drehpendels, das über einen Exzenter angetrieben wird.
Dieses sog. Pohl'sche Rad, benannt nach Robert Wichard Pohl, findet sich zur Lehrzwecken an vielen Schulen und Universitäten (vorgestellt wird es hier von Prof. Lüders, FU Berlin, 2008).
Diagrammachsen
skalierbar
Wirbelstrom-bremse
Netzgerät für Einstellung der Exzenterfrequenz
Im IBE kann man dazu mittels Motor und Exzenter die (obere) Aufhängung der Schraubenfeder wunschgemäß mit der Frequenz des Erregers auf und ab bewegen, wobei die zugehörige Amplitude im IBE durch den Aufbau der Apparatur als unveränderlich vorgegeben ist. Die Frequenz des Erregers kann über den Drehknopf am Netzgerät für den Motor nach dessen Einschalten variiert werden.
Mittels Laser-Bewegungssensor registriert man den $s_{Err}(t)$-Verlauf des Erregers, den $s_{Res}(t)$-Verlauf des an der Schraubenfeder hängenden Resonators (Pendelkörper) bestimmt man über einen Bewegungsmesswandler (s. auch hier).
Vorbemerkung:
Es soll jetzt untersucht werden, welchen Einfluss auf einen Oszillator ausgeübt wird, wenn dieser durch die - unbeeinflussbare - Schwingung eines anderen Objekts zu Bewegungen gezwungen wird. Man nennt den Oszillator in diesem Fall Resonator und das die Bewegung aufzwingende Objekt Erreger. Der Einfluss ist also ein einseitiger: der Erreger bewegt sich völlig unabhängig vom Resonator, dieser reagiert jedoch auf den ihn prägenden Einfluss des Erregers.