專(zhuān)利名稱(chēng)：受迫振動(dòng)、共振演示實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種教學(xué)器材，具體是適用于振動(dòng)教學(xué)中的受迫 振動(dòng)、共振現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
在高中物理教學(xué)中，關(guān)于受迫振動(dòng)的頻率及共振的教學(xué)，是分別 由兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)完成的。目前中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的按教材配置的兩 個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，在演示相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)存在較大問(wèn)題，難以達(dá)到預(yù)期的 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。
現(xiàn)有用于研究受迫振動(dòng)頻率的實(shí)驗(yàn)裝置是由一可改變轉(zhuǎn)速的小 型電動(dòng)機(jī)、偏心輪及二個(gè)彈簧振子組成。裝置中二個(gè)彈簧振子做受迫 振動(dòng)的周期性驅(qū)動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供，改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)整驅(qū)動(dòng)力 的頻率。教材要求在實(shí)驗(yàn)中記錄驅(qū)動(dòng)力的周期和振子振動(dòng)的周期，通 過(guò)比較得出驅(qū)動(dòng)力的周期(頻率)與振子振動(dòng)的周期(頻率)的關(guān)系， 即物體做受迫振動(dòng)時(shí)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力頻率。該實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中明顯存 在以下幾個(gè)問(wèn)題 一是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的周期(或偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)的周期)不 能目測(cè)，既使用秒表來(lái)測(cè)量也有一定的困難，實(shí)驗(yàn)中根本無(wú)法記錄。 二是當(dāng)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)振子做受迫振動(dòng)時(shí)，振子振動(dòng)并不穩(wěn)定，幾乎 只有在發(fā)生共振時(shí)振子振動(dòng)才比較穩(wěn)定，當(dāng)逐漸調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)， 振子振動(dòng)的頻率難以隨之同步。三是電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使懸掛 在偏心輪上的細(xì)線(xiàn)周期性上下扯動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)振子做受迫振動(dòng)，這一 驅(qū)動(dòng)力傳遞過(guò)程可視性不強(qiáng)，除前排幾個(gè)學(xué)生可看到外，稍后排點(diǎn)的 學(xué)生根本無(wú)法看到。
教材配置用于演示共振現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置是由懸掛在一橫繩上的 系列單擺組成。當(dāng)使驅(qū)動(dòng)擺振動(dòng)時(shí)，通過(guò)繩子給其他擺以驅(qū)動(dòng)力，從而使其他擺做受迫振動(dòng)，以此演示受迫振動(dòng)的振幅與固有頻率的關(guān)系 以及共振現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)在實(shí)際中觀(guān)察到的現(xiàn)象并非如預(yù)想中那樣，實(shí) 驗(yàn)中在提供周期性驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)擺開(kāi)始擺動(dòng)后，開(kāi)始時(shí)是與驅(qū)動(dòng)擺鄰 近的兩擺振動(dòng)明顯，且振幅大于離驅(qū)動(dòng)擺較遠(yuǎn)的共振擺，然后是共振 擺振幅逐漸增大，而驅(qū)動(dòng)擺的振幅逐漸減小，到一定程度后，共振擺 振幅又會(huì)逐漸變小，驅(qū)動(dòng)擺振幅逐漸增大，并如此反復(fù)。該實(shí)驗(yàn)中不 僅各擺的振幅在不停地交替變化，而且各擺的頻率與驅(qū)動(dòng)擺頻率也不 相同，差異非常明顯，不能很好地演示受迫振動(dòng)的振幅與固有頻率的 關(guān)系以及共振現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)裝置事實(shí)上是一種耦合振動(dòng)系統(tǒng)，而并非 共振裝置。兩者根本區(qū)別在于，共振裝置的驅(qū)動(dòng)源能量和傳給受迫振 動(dòng)部分的能量相比足夠大，即驅(qū)動(dòng)源可視為能量庫(kù)，不斷地輸入能量。 而耦合擺則不同，驅(qū)動(dòng)擺的能量有限，當(dāng)滿(mǎn)足理想耦合條件時(shí)，能量 將在驅(qū)動(dòng)擺與受迫振動(dòng)部分之間來(lái)回傳遞。很明顯，用一個(gè)耦合振動(dòng) 裝置來(lái)演示共振現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)原理的科學(xué)性方面也是欠妥的。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種能更好地 演示受迫振動(dòng)頻率、共振現(xiàn)象、并能定性說(shuō)明共振曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)效果更 顯著的受迫振動(dòng)、共振演示實(shí)驗(yàn)裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用一種受迫振動(dòng)、共振演示實(shí)驗(yàn) 裝置，包括驅(qū)動(dòng)擺、橫桿、支架和從動(dòng)擺，從動(dòng)擺由多個(gè)帶擺線(xiàn)的鋼 球組成，各擺按擺長(zhǎng)，即固有頻率的大小依次排列，與驅(qū)動(dòng)擺一起懸 掛在橫桿上，橫桿為一金屬桿，橫桿可轉(zhuǎn)動(dòng)地水平設(shè)置在支架，橫桿 的兩端分別套在支架左、右兩側(cè)柱的滾動(dòng)軸承上，驅(qū)動(dòng)擺置于支架的 外側(cè)一端，從動(dòng)擺置于支架的內(nèi)側(cè)，驅(qū)動(dòng)擺與從動(dòng)擺通過(guò)橫桿構(gòu)成聯(lián) 動(dòng)連接。
為避免出現(xiàn)耦合振動(dòng)，本實(shí)用新型進(jìn)一步設(shè)置為驅(qū)動(dòng)擺由金屬條 和固定在金屬條下端的鋼球組成，鋼球質(zhì)量遠(yuǎn)大于從動(dòng)擺中的鋼球質(zhì) 量，驅(qū)動(dòng)擺的金屬條上端部穿過(guò)橫桿上的通孔并與之固定連接，從動(dòng)
4擺的擺線(xiàn)采用彈簧鋼絲。
為在實(shí)驗(yàn)中方便調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力的頻率，本實(shí)用新型進(jìn)一步設(shè)置為橫 桿上開(kāi)設(shè)與通孔垂直的鎖緊孔， 一鎖緊螺釘穿過(guò)鎖緊孔并壓緊通孔內(nèi) 的金屬條，金屬條通過(guò)鎖緊螺釘與橫桿構(gòu)成可調(diào)上下移動(dòng)。
為了在實(shí)驗(yàn)中可方便調(diào)節(jié)從動(dòng)擺擺長(zhǎng)或取下從動(dòng)擺，本實(shí)用新型 進(jìn)一步設(shè)置為橫桿上開(kāi)有多個(gè)小孔，連接從動(dòng)擺鋼球的彈簧鋼絲穿過(guò) 小孔后可拆卸地連接在橫桿的螺釘上。
為確保各擺振動(dòng)時(shí)支架穩(wěn)定不動(dòng)，本實(shí)用新型再進(jìn)一步設(shè)置為支 架由三角鐵焊接而成，支架著地處安裝4個(gè)帶有橡皮墊的可調(diào)螺旋 腳。
本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)而言，既可以進(jìn)行研究受迫振動(dòng)的頻率 與驅(qū)動(dòng)力頻率關(guān)系、振幅與固有頻率關(guān)系、共振現(xiàn)象，又可定性說(shuō)明 共振曲線(xiàn)， 一具多得，整個(gè)裝置構(gòu)造簡(jiǎn)潔美觀(guān)、堅(jiān)實(shí)耐用，還具有以 下優(yōu)點(diǎn)
1、 基本上消除了驅(qū)動(dòng)擺與從動(dòng)擺以及各從動(dòng)擺之間相互耦合的 影響，不會(huì)出現(xiàn)從動(dòng)擺振幅先變大，后變小的情況。而用以懸掛從動(dòng) 擺的鋼性橫桿對(duì)各從動(dòng)擺扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)效果完全相同，在共振演示時(shí)，共 振擺擺幅從振動(dòng)一開(kāi)始便大于其它從動(dòng)擺。
2、 各從動(dòng)擺的擺線(xiàn)采用了彈性好的彈簧鋼絲，橫桿對(duì)各從動(dòng)擺 能產(chǎn)生較大得扭轉(zhuǎn)力矩，使得各從動(dòng)擺作受迫振動(dòng)時(shí)能保持同步(即 頻率相等)，而各擺的振幅被整體"放大"，可明顯比較出各擺固有頻 率與驅(qū)動(dòng)力頻率相差大小不同時(shí)的振幅大小的差異。同時(shí)也使各從動(dòng) 擺起振時(shí)間短，節(jié)省課堂時(shí)間。
3、 實(shí)驗(yàn)要表達(dá)的原理直觀(guān)明顯，驅(qū)動(dòng)力的傳遞過(guò)程、驅(qū)動(dòng)力的 頻率與從動(dòng)擺的固有頻率及作受迫振動(dòng)時(shí)的頻率關(guān)系一 目了然。而裝 置將從動(dòng)擺、驅(qū)動(dòng)擺分別置于框架內(nèi)外，也有利于學(xué)生觀(guān)察比較。
4、 驅(qū)動(dòng)擺與橫桿連接采用的活動(dòng)結(jié)構(gòu)，使得調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力的頻率
簡(jiǎn)單易行。而從動(dòng)擺也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要方便的調(diào)節(jié)擺長(zhǎng)或取下。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型實(shí)施方式橫桿與金屬條連接結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1、 2所示，本實(shí)用新型的具體實(shí)施例是一種受迫振動(dòng)、共 振演示實(shí)驗(yàn)裝置，包括橫桿1、支架2、驅(qū)動(dòng)擺3和從動(dòng)擺4，從動(dòng) 擺4由多個(gè)帶擺線(xiàn)41的鋼球42組成，各擺按擺長(zhǎng)，即固有頻率的大 小依次排列，該擺線(xiàn)41采用彈簧鋼絲，支架2由三角鐵焊接而成， 支架2著地處安裝4個(gè)帶有橡皮墊的可調(diào)螺旋腳5，橫桿1可轉(zhuǎn)動(dòng)地 水平設(shè)置在支架2，橫桿1的兩端分別套在支架2左、右兩側(cè)柱的滾 動(dòng)軸承6上，驅(qū)動(dòng)擺3由金屬條31和固定在金屬條31下端的鋼球 32組成，鋼球32質(zhì)量要大于從動(dòng)擺4中的任一鋼球42質(zhì)量，驅(qū)動(dòng) 擺3位于支架2 —側(cè)并與橫桿1構(gòu)成聯(lián)動(dòng)連接，橫桿1上對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)擺 3所在一端沿縱向形成通孔11，同時(shí)開(kāi)設(shè)與通孔11垂直的鎖緊孔12， 驅(qū)動(dòng)擺3的金屬條31活動(dòng)端311穿過(guò)橫桿1上的通孔11， 一鎖緊螺 釘7穿過(guò)鎖緊孔12并壓緊里側(cè)的金屬條31，金屬條31通過(guò)鎖緊螺 釘7與橫桿1構(gòu)成可調(diào)上下移動(dòng)。在橫桿1上對(duì)應(yīng)從動(dòng)擺4的鋼球 42位置形成與鋼球42數(shù)量相同的小孔，與鋼球42相連的擺線(xiàn)41上 端穿過(guò)小孔，并固定在小孔一側(cè)的螺釘8上。
本實(shí)用新型使用過(guò)程
1、 演示受迫振動(dòng)的頻率
① 推動(dòng)各從動(dòng)擺，使之?dāng)[動(dòng)，此時(shí)橫軸不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，各擺互不影響， 各自做自由振動(dòng)，觀(guān)測(cè)比較各擺的固有頻率(周期)，可看出各擺固 有頻率(周期)不相同，擺長(zhǎng)越長(zhǎng)固有頻率越小(周期越大)。
② 推動(dòng)驅(qū)動(dòng)擺，使之?dāng)[動(dòng)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)擺帶動(dòng)橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng) 各從動(dòng)擺做受迫振動(dòng)，可觀(guān)察到各從動(dòng)擺與驅(qū)動(dòng)擺同步擺動(dòng)。調(diào)整驅(qū) 動(dòng)擺擺長(zhǎng)，改變驅(qū)動(dòng)力的頻率，各從動(dòng)擺與驅(qū)動(dòng)擺仍同步擺動(dòng)。
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)步驟得出在周期性驅(qū)動(dòng)力作用下，單擺做受迫振
動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率，而與單擺固有頻率無(wú)關(guān)。
2、 演示共振現(xiàn)象① 調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)擺擺長(zhǎng)，使之與中間那個(gè)從動(dòng)擺擺長(zhǎng)相同。
② 推動(dòng)驅(qū)動(dòng)擺，使之?dāng)[動(dòng)，從動(dòng)擺同時(shí)被驅(qū)動(dòng)，觀(guān)察比較各從動(dòng) 擺的擺幅?？捎^(guān)察到從動(dòng)擺中擺長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)擺擺長(zhǎng)越接近的擺幅越大， 相同的最大。并且隨著振動(dòng)的持續(xù)，與驅(qū)動(dòng)擺擺長(zhǎng)相同的從動(dòng)擺擺幅 越來(lái)越大，共振現(xiàn)象非常明顯。
③再調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)擺擺長(zhǎng)，使之與另一個(gè)從動(dòng)擺擺長(zhǎng)相同，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。 通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)步驟得出當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于做受迫振動(dòng)物體的固有 頻率時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅最大，即產(chǎn)生共振現(xiàn)象。(有阻尼的振動(dòng)， 驅(qū)動(dòng)力的頻率要略小于固有頻率)。 3、定性說(shuō)明共振曲線(xiàn)
① 留下中間一個(gè)從動(dòng)擺，將其余從動(dòng)擺取下。
② 依次調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)擺擺長(zhǎng)，可由長(zhǎng)至短(頻率由小到大)取五個(gè)位 置，分別使驅(qū)動(dòng)擺擺動(dòng)，每次擺動(dòng)時(shí)使驅(qū)動(dòng)擺擺幅基本保持相同。觀(guān) 察比較各次從動(dòng)擺擺幅大小。
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)步驟得出當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率逐漸接近做受迫振動(dòng)物體固 有頻率時(shí)，振幅逐漸增大，逐漸遠(yuǎn)離固有頻率時(shí)振幅逐漸減小，從而 定性說(shuō)明共振曲線(xiàn)。
權(quán)利要求1、一種受迫振動(dòng)、共振演示實(shí)驗(yàn)裝置，包括驅(qū)動(dòng)擺、橫桿、支架和從動(dòng)擺，從動(dòng)擺由多個(gè)帶擺線(xiàn)的鋼球組成，各擺按擺長(zhǎng)，即固有頻率的大小依次排列，與驅(qū)動(dòng)擺一起懸掛在橫桿上，其特征在于所述橫桿為一金屬桿，橫桿可轉(zhuǎn)動(dòng)地水平設(shè)置在支架，橫桿的兩端分別套在支架左、右兩側(cè)柱的滾動(dòng)軸承上，驅(qū)動(dòng)擺置于支架的外側(cè)一端，從動(dòng)擺置于支架的內(nèi)側(cè)，驅(qū)動(dòng)擺與從動(dòng)擺通過(guò)橫桿構(gòu)成聯(lián)動(dòng)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的受迫振動(dòng)、共振演示實(shí)驗(yàn)裝置，其特 征在于所述驅(qū)動(dòng)擺由金屬條和固定在金屬條下端的鋼球組成，鋼球 質(zhì)量遠(yuǎn)大于從動(dòng)擺中的鋼球質(zhì)量，驅(qū)動(dòng)擺的金屬條上端部穿過(guò)橫桿上 的通孔并與之固定連接，從動(dòng)擺的擺線(xiàn)采用彈簧鋼絲。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的受迫振動(dòng)、共振演示實(shí)驗(yàn)裝置， 其特征在于所述橫桿上開(kāi)設(shè)與通孔垂直的鎖緊孔， 一鎖緊螺釘穿過(guò) 鎖緊孔并壓緊通孔內(nèi)的金屬條，金屬條通過(guò)鎖緊螺釘與橫桿構(gòu)成可調(diào) 上下移動(dòng)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的受迫振動(dòng)、共振演示實(shí)驗(yàn)裝置， 其特征在于所述橫桿上開(kāi)有多個(gè)小孔，連接從動(dòng)擺鋼球的彈簧鋼絲 穿過(guò)小孔后可拆卸地連接在橫桿的螺釘上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的受迫振動(dòng)、共振演示實(shí)驗(yàn)裝置，其特 征在于所述橫桿上開(kāi)有多個(gè)小孔，連接從動(dòng)擺鋼球的彈簧鋼絲穿過(guò) 小孔后繞在固定在橫桿的螺釘上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的受迫振動(dòng)、共振演示實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述支架由三角鐵焊接而成，支架著地處安裝4個(gè)帶有 橡皮墊的可調(diào)螺旋腳。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種受迫振動(dòng)、共振演示實(shí)驗(yàn)裝置，包括驅(qū)動(dòng)擺、橫桿、支架和從動(dòng)擺，從動(dòng)擺由多個(gè)帶擺線(xiàn)的鋼球組成，各擺按擺長(zhǎng)，即固有頻率的大小依次排列，與驅(qū)動(dòng)擺一起懸掛在橫桿上，橫桿為一金屬桿，橫桿可轉(zhuǎn)動(dòng)地水平設(shè)置在支架，橫桿的兩端分別套在支架左、右兩側(cè)柱的滾動(dòng)軸承上，驅(qū)動(dòng)擺置于支架的外側(cè)一端，從動(dòng)擺置于支架的內(nèi)側(cè)，驅(qū)動(dòng)擺與從動(dòng)擺通過(guò)橫桿構(gòu)成聯(lián)動(dòng)連接。本裝置中當(dāng)驅(qū)動(dòng)擺擺動(dòng)后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)擺的金屬條驅(qū)使橫桿來(lái)回扭動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)使各從動(dòng)擺擺動(dòng)，從而演示受迫振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)力的頻率關(guān)系、共振等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)使得驅(qū)動(dòng)力的傳遞過(guò)程一目了然，即能更好地演示受迫振動(dòng)頻率、共振現(xiàn)象、并能定性說(shuō)明共振曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)效果更顯著。
文檔編號(hào)G09B23/10GK201364675SQ20092011533
公開(kāi)日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者王健浩, 王建胡 申請(qǐng)人:王建胡;王健浩