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物理實驗

弦上駐波

兩端固定的弦由振動器驅動:調張力、線密度與駆動頻率,掃出一個個共振模態,數波節、量波長,理解吉他調音背後的物理。
t = 0.00 s

振幅響應曲線(共振峰=簡正模態)

實驗數據

尚無記錄。調整參數、完成一次量測後,按「記錄本次數據」把結果存進表格。

實驗參數

弦長 L
張力 T
線密度 μ
驅動頻率 f

即時量測

波速 v=√(T/μ)
m/s
基頻 f₁=v/2L
Hz
最近模態 n・fₙ
目前波長 λ=v/f
m

實驗任務

  1. 掃出泛音列:用預設參數慢慢調高驅動頻率,依序找出振幅最大的前四個頻率並記錄。 它們的比例是不是 1:2:3:4?對照響應曲線的峰位置。
  2. 數波節:停在第 3 模態,數一數弦上有幾個不動的點(含兩端)? 第 n 模態的波節數和 n 的關係是什麼?λ₃ 和弦長 L 的關係?
  3. 調音原理:固定在某模態上,把張力 T 慢慢調大——共振跑掉了。 要回到同一模態,頻率要調高還是調低?這就是吉他旋鈕的物理。
  4. 粗弦與細弦:把線密度 μ 調大(粗弦),基頻變高還是變低? 解釋為什麼吉他低音弦比較粗。

模型與假設

模型:兩端固定弦的受迫穩態振動,y(x,t)=Σₙ Bₙ(f)·sin(nπx/L)·cos(2πft), 各模態振幅 Bₙ 為以 fₙ=n·v/2L 為中心的共振響應(Lorentzian,寬度 γ=1.5 Hz), 波速 v=√(T/μ)。
假設:理想柔軟弦、小振幅線性波動、穩態(暫態已消失);畫面振幅經放大以利觀察。