一种共振演示仪器的制作方法

本实用新型涉及物理教学器材领域，特别是指一种共振演示仪器。

背景技术：

现有受迫振动、共振演示仪器，大都如中国专利申请公开说明书CN 205264187 U中所述，在一根横杆（或摆绳）上挂几个单摆，其中一个单摆用作驱动摆，其它单摆用作从动摆，工作时，摆动驱动摆，驱动摆带动横杆，使横杆向各从动摆施加周期性的策动力，在策动力的作用下，各从动摆受迫振动。该种共振演示仪器，因没有驱动摆驱动频率、从动摆振动频率、以及从动摆振幅的测量装置，演示时驱动摆驱动频率、从动摆振动频率、以及从动摆振幅的各具体数值无从得知，其只能定性的了解驱动频率与振幅的关系，无法定量的分析驱动频率与从动摆振幅、摆长的关系，更不要说演示“当驱动频率等于固有频率时振幅最大”、“受迫振动的物体的频率等于驱动频率”的共振特性，并且，也正是因为只能定性的观测共振现象，为演示共振特征时具有可对比性，同一横杆（或摆绳）需挂多个从动摆，实验中各从动摆振动后，横杆受各从动摆振动的影响，横杆摆动的频率与驱动摆频率不相同，实验从原理上就注定不能准确地演示共振现象。

技术实现要素：

本实用新型的在于提供一种共振演示仪器。

为实现本实用新型的目的，采用的技术方案为：一种共振演示仪器，包括支架和固定在支架上的磁电系仪表，磁电系仪表的摆针上通过绳子悬挂有一摆球，磁电系仪表未接入电信号时摆针垂直，磁电系仪表法线的正下方设有一摆球振动频率检测装置，摆球振动频率检测装置包括光发射元件和位于光发射元件光路上的光检测元件，自然垂设状态下摆球位于光发射元件和光检测元件间的光路上，一信号检测模块、光检测元件均与一控制器通讯连接，控制器与一显示单元通讯连接，支架设有前面板，支架的前面板上画有以磁电系仪表摆针摆动中心为圆心的圆周刻度，工作时磁电系仪表两端接入正负对称的交流电信号；信号检测模块检测磁电系仪表两端接入的正负对称的交流电信号，并将该正负对称的交流电信号送入控制器；摆球振动频率检测装置的光检测元件检测光发射元件的光信号，并将该光信号转化为电信号后送入控制器；控制器接收信号检测模块送来的正负对称的交流电信号，并计算出该正负对称的交流电信号的频率a，以得出摆针的驱动频率b，其中，b=a，以及接收光检测元件送来的电信号，并计算出单位时间内接收到的电信号的次数c，以得出摆球的受迫摆动频率d，其中，d=0.5c，以及将计算出的摆针的驱动频率b和摆球的受迫摆动频率d发送至显示单元进行显示。

进一步地，摆球振动频率检测装置还包括一用于固定光发射元件和光检测元件的固定架，固定架上固定有磁铁，支架上垂直固定有铁轨，磁铁吸附于铁轨上。本实用新型通过将固定于固定架上磁铁吸附于铁轨上，使光发射元件和光检测元件固定，并在调节磁铁与铁轨的相对位置时，可使光发射元件和光检测元件的位置做上下移动，以适应不同摆长的摆球，如此，方便前后不同摆长的摆球的更换以进行实验，可量化地分析证明摆球自由振动时周期与摆长的关系。

进一步地，工作时磁电系仪表两端接入的正负对称的交流电信号为正负对称的方波电信号。本实用新型磁电系仪表两端接入的正负对称的交流电信号可以为正负对称的正弦交流电信号、正负对称的锯齿形交流电信号或正负对称的方波电信号，由于采用正负对称的方波电信号时，磁电系仪表的摆针摆动更均匀，因此，本实用新型磁电系仪表两端接入的正负对称的交流电信号为正负对称的方波电信号为较佳。

进一步地，磁电系仪表摆针的端部设有挂钩。如此，可方便绳子靠近摆针的一端可挂于挂钩上，从而方便快速更换不同摆长的摆球。

进一步地，摆球为塑料球。由于磁电系仪表通常较小，承重较轻，本实用新型通过采用塑料球的摆球，以便在满足上述承重要求的情况下，相比其他材质的铁球、铜球或环璃球，其摆动时空气阻力更大，摆球的振幅变化量大，实验时间相对更短。

进一步地，显示单元为两组数码管。两组数码管分别用于显示摆球的受迫摆动频率和磁电系仪表通电信号的频率（或摆针的驱动频率），由于本实用新型显示内容少，要求低，因此，采用价低的数码管作用显示单元即可。

进一步地，显示单元安装在前面板上。以方便数值的读取。

进一步地，圆周刻度沿经过磁电系仪表摆针摆动中心的水平面法线对称。增加美感的同时，方便由经过磁电系仪表摆针摆动中心的水平面法线两侧的圆周刻度均可观测摆球的摆幅。

进一步地，支架的前面板上还画有纵向直线刻度。在更换不同摆长的摆球先后进行实现，量化分析证明摆球自由振动时周期与摆长的关系时，本实用新型的该设置，避免了需事先采用其他测量装置如卷尺对摆球摆长的测量，其将摆球悬挂于磁电系仪表的摆针上时，即可通过纵向直线刻度对摆球摆长进行读数。

本实用新型共振演示仪器，设置一磁电系仪表，在该磁电系仪表的摆针上悬挂摆球，磁电系仪表通入正负对称的交流电信号时，其左右摆动的摆针带动摆球摆动，同时采用控制器配以摆球振动频率检测装置、信号检测模块将摆球的受迫摆动频率、磁电系仪表通电信号的频率（或摆针的驱动频率）检测并计算出来后，发送到显示单元进行显示，使演示时可具体知道摆球受迫摆动频率和摆针驱动频率的具体数值，并设置圆周刻度，使摆球的摆幅可读，如此，以便可直观地观测共振现象，同时可量化地分析驱动周期（或驱动频率）与振幅的关系、摆球受迫摆动频率与驱动频率的关系，从而使学生在学习中加深对共振的认识，另也正是因为对摆针的驱动频率、摆球的受迫摆动频率和振幅进行了量化显示，具体的数值可被记载，从而使得共振演示过程中，无需在磁电系仪表的摆针上悬挂若干摆球，进行除摆长外同一条件下的对比观察，其通过具体数值的记录即可控制先前操作的条件以及明确每个操作的结果，因此，磁电系仪表的摆针上每次只需悬挂一个摆球进行实验，这有效避免了多个摆球同时实验时摆针受各摆球摆动的影响，从而使得共振现象的演示更准确。

附图说明

图1是本实用新型共振演示仪器的主视结构示意图；

图2是图1沿A-A线的剖视结构示意图；

图3是图2中局部B的放大结构示意图；

图4是本实用新型共振演示仪器中电子模块的功能框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型共振演示仪器的具体实施方式作详细的说明。如图1至图4所示，一种共振演示仪器，包括支架10和固定在支架10上的磁电系仪表1，磁电系仪表1的摆针11上通过绳子2悬挂有一摆球3，磁电系仪表1未接入电信号时摆针11垂直，磁电系仪表1法线的正下方设有一摆球振动频率检测装置4，摆球振动频率检测装置4包括光发射元件41和位于光发射元件41光路上的光检测元件42，自然垂设状态下摆球3位于光发射元件41和光检测元件42间的光路上，一信号检测模块5、光检测元件42均与一控制器6通讯连接，控制器6与一显示单元7通讯连接，支架10设有前面板101，支架10的前面板101上画有以磁电系仪表摆针11摆动中心为圆心的圆周刻度81，工作时磁电系仪表1两端接入正负对称的交流电信号；信号检测模块5检测磁电系仪表1两端接入的正负对称的交流电信号，并将该正负对称的交流电信号送入控制器6；摆球振动频率检测装置4的光检测元件42检测光发射元件41的光信号，并将该光信号转化为电信号后送入控制器6；控制器6接收信号检测模块5送来的正负对称的交流电信号，并计算出该正负对称的交流电信号的频率a，以得出摆针11的驱动频率b，其中，b=a，以及接收光检测元件42送来的电信号，并计算出单位时间内接收到的电信号的次数c，以得出摆球3的受迫摆动频率d，其中，d=0.5c，以及将计算出的摆针11的驱动频率b和摆球3的受迫摆动频率d发送至显示单元7进行显示。

本实用新型共振演示仪器，为使可使光发射元件41和光检测元件42的位置可上下调节，较佳地，摆球振动频率检测装置4还包括一用于固定光发射元件41和光检测元件42的固定架43，固定架43上固定有磁铁91，支架10上垂直固定有铁轨92，磁铁91吸附于铁轨92上。本实用新型通过将固定于固定架43上磁铁91吸附于铁轨92上，使光发射元件41和光检测元件42固定，并在调节磁铁91与铁轨92的相对位置时，可使光发射元件41和光检测元件42的位置做上下移动，以适应不同摆长的摆球3，如此，方便在不对磁电系仪表1通入电信号时，前后不同摆长的摆球3的更换以进行实验，量化分析证明摆球3自由振动时周期与摆长的关系，且本实用新型磁铁91、铁轨92的调节结构，结构简单，可实现无级调节。

本实用新型共振演示仪器，较佳地，工作时磁电系仪表1两端接入的正负对称的交流电信号为正负对称的方波电信号。本实用新型磁电系仪表1两端接入的正负对称的交流电信号可以为正负对称的正弦交流电信号、正负对称的锯齿形交流电信号或正负对称的方波电信号，由于采用正负对称的方波电信号时，磁电系仪表1的摆针11摆动更均匀，因此，本实用新型磁电系仪表1两端接入的正负对称的交流电信号为正负对称的方波电信号为较佳。

本实用新型共振演示仪器，较佳地，磁电系仪表摆针11的端部设有挂钩12。如此，可方便绳子2靠近摆针11的一端可挂于挂钩12上，从而方便快速更换不同摆长的摆球3。

本用新型共振演示仪器，较佳地，摆球3为塑料球。由于磁电系仪表1通常较小，承重较轻，为满足上述承重要求，本实用新型摆球3可为体积小、质量轻的金属球、玻璃球或塑料球，相比其他材质的金属球或玻璃球，塑料球摆动时空气阻力更大，摆球的振幅变化量大，实验时间相对更短因此，摆球3为塑料球为较佳。

本实用新型共振演示仪器，显示单元7可为液晶屏或数码管，由于本实用新型显示内容少，要求低，采用价低的数码管作用显示单元7即可，因此，本实用新型共振演示仪器，显示单元7为两组数码管为较佳，两组数码管分别用于显示摆球3的受迫摆动频率和磁电系仪表1通电信号的频率（即摆针11的驱动频率）。

本实用新型共振演示仪器，较佳地，显示单元7安装在前面板101上。以便教学中，显示单元7可正对学生，方便学生读取数值。

本实用新型共振演示仪器，较佳地，圆周刻度81沿经过磁电系仪表摆针11摆动中心的水平面法线对称。增加美感的同时，方便由经过磁电系仪表摆针11摆动中心的水平面法线两侧的圆周刻度81均可观测摆球3的摆幅。

本发明共振演示仪器，较佳地，支架10的前面板101上还画有纵向直线刻度82。在更换不同摆长的摆球3先后进行实现，量化分析证明摆球3自由振动时周期与摆长的关系时，本实用新型的该设置，避免了事先采用其他测量装置如卷尺对摆球摆长的测量，其将摆球3悬挂于磁电系仪表1的摆针11上时，即可通过纵向直线刻度82对摆球3摆长进行读数。

本实用新型共振演示仪器，设置一磁电系仪表1，在该磁电系仪表1的摆针11上悬挂摆球3，磁电系仪表1通入正负对称的交流电信号时，其左右摆动的摆针11带动摆球3摆动，同时采用控制器6配以摆球振动频率检测装置4、信号检测模块5将摆球3的受迫摆动频率、磁电系仪表1通电信号的频率（或摆针11的驱动频率）检测并计算出来后，发送到显示单元7进行显示，使演示时可具体知道摆球3受迫摆动频率和摆针11驱动频率的具体数值，并设置圆周刻度81，使摆球3的摆幅可读，如此，以便可直观地观测共振现象，同时可量化地分析驱动周期（或驱动频率）与振幅的关系、摆球3受迫摆动频率与驱动频率的关系，从而使学生在学习中加深对共振的认识，另也正是因为对摆针11的驱动频率、摆球3的受迫摆动频率和振幅进行了量化显示，具体的数值可被记载，从而使得共振演示过程中，无需在磁电系仪表1的摆针11上悬挂若干摆球3，进行除摆长外同一条件下的对比观察，其通过具体数值的记录即可控制先前操作的条件以及明确每个操作的结果，因此，磁电系仪表1的摆针11上每次只需悬挂一个摆球3进行实验，这有效避免了多个摆球3同时实验时摆针11受各摆球3摆动的影响，从而使得共振现象的演示更准确。

本实用新型共振演示仪器，在不对磁电系仪表1通入电信号时，前后以不同的摆幅多次摆动摆球3，可证明单摆自由振动时周期与振幅无关。

本实用新型共振演示仪器，支架10可为一箱体，结构更美观，也易搬运。

本实用新型共振演示仪器，为使可使光发射元件41和光检测元件42的位置可上下调节，可采用“摆球振动频率检测装置4包括一用于固定光发射元件41和光检测元件42的固定架43，固定架43上固定有磁铁91，支架10上垂直固定有铁轨92，磁铁91吸附于铁轨92上”的结构；也可采用“摆球振动频率检测装置包括一用于固定光发射元件和光检测元件的固定架，固定架滑动固定于一滑道上，固定架上还螺纹穿设一螺钉，螺钉自由端人顶触于支架的前面板上”，或其他如丝杆直线调节结构。