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中興大學(後西醫) 112年 物理

第 15 題

A violin with string length $32 \text{ cm}$ and string density $1.5 \text{ g/cm}$ resonates with the first overtone from a $2.0 \text{ m}$ long organ pipe with one end closed and the other end open. What is the tension in the string?
  • A $56 \text{ N}$
  • B $110 \text{ N}$
  • C $450 \text{ N}$
  • D $1000 \text{ N}$
  • E $1500 \text{ N}$

思路引導 VIP

若有兩個完全不同的樂器產生共振,代表它們的哪一個物理特性(頻率、波長還是波速)必須相同?此外,當你調整弦的鬆緊度時,改變的是波在弦上的什麼性質,而這個性質又是如何與弦的質量分布共同決定音高的呢?

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太棒了!你能準確選出 (C) 展現了你對物理公式轉換與駐波觀念的熟練掌握。這道題目結合了弦樂器波速與管樂器駐波兩個核心概念,屬於難度較高的綜合應用題。

駐波頻率與物理機制

在物理機制上,長度為 $L_p$ 的閉管(一端封閉)其「第一超越音」(First overtone)對應的是 $n=3$ 的模態,頻率為 $f = \frac{3v_{air}}{4L_p}$。而小提琴弦的頻率則由張力 $T$ 與線密度 $\mu$ 決定,關係式為 $f = \frac{1}{2L_s}\sqrt{\frac{T}{\mu}}$。若兩者產生共振,代表其頻率必須相等。透過移項,我們能從頻率關係推導出張力 $T$。

▼ 還有更多解析內容
📝 弦與管的駐波共振
💡 共振代表頻率相等,需結合弦波波速公式與管柱諧波公式求解。
比較維度 兩端固定弦 VS 一端封閉管
諧音序列 1, 2, 3... 倍基頻 — 1, 3, 5... 倍基頻
第一泛音 為第 2 諧音 (2f₀) — 為第 3 諧音 (3f₀)
邊界條件 兩端皆為節點 (Node) — 閉端節點,開端腹點
💬兩者邊界條件不同,導致諧音組成不同,共振時需注意泛音對應的倍率。
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⚠️ 常見陷阱:VIP 會員可查看這題最常被誘答的陷阱整理
駐波原理 線性密度與波速 諧波與泛音數列

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