专利名称：激光扫描式振动综合演示仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实验演示与探索性直观教学仪器，属于物理教学仪器制造及应用
技术领域。
背景技术：
振动及振动的合成，是力学中的重要内容，它包括阻尼振动、受迫振动、简谐振动 的合成等知识点。人们通常利用演示实验使抽象的概念变得直观易懂，关于振动现象的实 验演示与探索，人们进行过大量的研究。简谐振动的演示主要通过砂摆法或纸带描迹法进 行演示。受迫振动和共振现象主要利用安装偏心轮的马达和锯条来演示。简谐振动合成 的演示主要利用如下几种方式以电信号的形式通过示波器演示条件下的振动合成波形， 如拍、李萨如图形等；用两个频率相差不大的音叉同时发音，听拍的声音来演示拍现象；利 用机械描迹的方法进行各种合成波形；利用激光反射的方法演示李萨如图形。砂摆法虽然 简单，但既不直观也不形象；音叉法虽然能听到时强时弱的拍的声音，但无法看到实际拍的 波形；利用示波器演示振动合成图形，虽然图象效果好，但演示的可见度不高，无法在大教 室演示，原理也不够透明，无法展示原始的物理过程，不利于学生对概念的理解。利用机械 描迹的方法演示振动合成图形现象较为直观，但仪器结构较复杂，可见度也是很高，不适于 在大教室中演示；利用激光通过平面镜的反射来演示李萨如图形，原理较为透明，可见度较 高，有学者曾利用低频信号发生器驱动电磁打点计时器的振动片振动，李萨如图形通过激 光照射在远处屏上，相位差与振幅都很稳定。但此法的缺陷是演示内容单一，振动方向无法 改变，无法演示拍现象及其他各种方向下简谐振动的合成图像，也无法进行定量的测量，研 究各种振动的规律。 综上所述每种设计方法都各有其优缺点，但总的来看，演示效果的直观性、实验现 象的可见度、物理原理的透明度以及实验内容的全面性等方面，尚不能兼顾。
发明内容
本发明的目的是解决上述存在的技术问题，向人们提供一种既可用于大教室的实 验演示，也可用于学生探索性实验的振动现象综合实验仪器，振动方向可任意调节，仪器结 构简单、原理透明、现象直观，实验功能基本涵盖普通物理中有关振动的所有内容。为实现 上述目的本实用新型采用下述技术方案激光扫描式振动综合演示仪，包括与底座相连的 机械式振源系统一，机械式振源系统二，正六面反射棱镜扫描系统，总电源开关，振源一开 关，振源二开关，扫描开关，输出电压调节旋钮，输出电压表，振源一频率调节旋钮，振源二 频率调节旋钮，扫描速度调节旋钮，与机械式振源系统一相连的钢尺振子一，与机械式振源 系统二相连的钢尺振子二，与钢尺振子一垂直相连的平面反射镜一，与钢尺振子二垂直相 连的平面反射镜二，并另设有半导体激光光源，光路调节用的平面反射镜三，图象接收屏。 钢尺振子一长度可调，钢尺振子二振动方向可调，半导体激光光源发出的激光光线通过平 面反射镜一、平面反射镜二的反射，再经过平面反射镜三的反射或通过正六面反射棱镜的扫描，到达图像接收屏，可实现阻尼振动、受迫振动、不同频率不同方向下的简谐振动合成
图像的演示，也可通过光点扫描速度的测量和波形的观察计算钢尺的固有频率。 机械式振源系统一和机械式振源系统二可分别实现两钢尺振子的调节功能，由凸
轮式简谐振动机构、直流电机和振动方向调节机构组成。凸轮式简谐振动机构的设计原理
为，当一圆绕圆心做匀速圆周运动时，偏离圆心的一质点在直径上的投影符合简谐运动规
律，由实心圆柱形驱动轮、与偏离驱动轮圆心上一点相连的圆柱支承，中间带有长方形滑道
的支杆、与支杆相连的带有平面振台的振动架组成，设定振动方向垂直于平面振台，滑道的
方向与振动方向垂直，带有平面镜的钢尺固定于振台。驱动轮圆心与直流电机转轴固定，电
机带动驱动轮转动时，圆柱支承在滑道内滑动，由于支杆的中心始终是圆柱支承在驱动轮
直径方向上的投影，因此支杆随之做简谐振动，进而推动振动架及振台上的钢尺做简谐振
动。电机外套有圆柱形机架，机架与振动架之间通过塑料弹簧片相连，增加振动架上下振动
的稳定性。振动方向调节机构由固定于底座的带有水平圆柱形孔和角度标记的机架构成，
套有圆柱形机架的电机伸入圆柱形孔，可在其内旋转任意改变角度，实现振动方向的改变。
正六面反射棱镜扫描系统由与底座相连的支座、与支座相连的直流电机、与直流电机转轴
相连的正六面反射棱镜组成，正六面反射棱镜中心固定于直流电机转轴，可随之旋转。 上述三个电机与直流电源构成并联电路，总电源开关串联于主路同时控制三个电
机通断，输出电压调节旋钮串联于主路控制总输出电压，输出电压表并联于直流电源和输
出电压调节旋钮两端显示输出电压，振源一开关与机械式振源系统一的电机串联控制其通
断，振源一频率调节旋钮与机械式振源系统一的电机串联控制其转速，振源二开关与机械
式振源系统二的电机串联控制其通断，振源二频率调节旋钮与机械式振源系统二的电机串
联控制其转速，扫描开关与正六面反射棱镜扫描系统的电机串联控制其通断，扫描速度调
节旋钮与正六面反射棱镜扫描系统的电机串联控制其转速。 上述半导体激光光源发出的激光光线通过平面反射镜一、平面反射镜二的反射， 再经过平面反射镜三的反射或通过正六面反射棱镜的扫描，到达图像接收屏，可实现阻尼 振动、受迫振动、不同频率不同方向下的简谐振动合成图像的演示及钢尺固有频率的测量。 本发明的有益效果是，可以在大教室利用墙壁做图像接收屏放大演示阻尼振动现象、受迫 振动现象、频率可调的两个同方向简谐振动合成图形(包括拍现象)、频率比可调的两个方 向垂直简谐振动的合成图像(李萨如图形)以及其他任意方向下的简谐振动合成图像；也 可用小型图像接收屏做为学生探索性实验，在已知正六面反射棱镜扫描系统电机转速的情 况下，可以半定量测量钢尺的固有频率；本产品具有现象可见度高，原理透明，效果直观，结 构简单，振源设计巧妙，功能丰富，成本低廉，操作方便，可进行定性观察与半定量测量等特 点。
图1是本发明的总体结构图。 图中1.底座，2.机械式振源系统一，3.机械式振源系统二，4.正六面反射棱镜扫 描系统，5.总电源开关，6.振源一开关，7.振源二开关，8.扫描开关，9.输出电压调节旋钮， 10.输出电压表，ll.振源一频率调节旋钮，12.振源二频率调节旋钮，13.扫描速度调节旋 钮，14.钢尺振子一，15.钢尺振子二，16.平面反射镜一，17.平面反射镜二，18.半导体激光
4CN 光源，19.平面反射镜三，20.图像接收屏。虚线部分为激光束线方向和反射面法线方向。
图2是本发明的凸轮式简谐振动机构设计原理图。 图中21.稳固用机架，22.塑料弹簧片，23.振动架水平端面，24.振动架前端面， 25.振动架侧端面，26.竖直支杆，27.带有滑道的水平支杆，28.圆柱支承。
图3是本发明的电路控制图。
具体实施方式
实施例 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 在图1中，机械式振源系统一 2与机械式振源系统二 3垂直放置，并与与底座1相 连，正六面反射棱镜扫描系统4与底座1相连；半导体激光光源18、用于光路调整的平面反 射镜三19另配有支架，可在底座上任意调整位置；图像接受屏20为带有方格刻度的毛玻璃 屏，与底座相连，可方便拆卸；钢尺振子一 14垂直紧固于机械式振源系统一 2的振台上，长 度可伸縮，钢尺振子二 15平行紧固于机械式振源系统二 3的振台上，长度固定，两尺相互平 行；平面反射镜一 16垂直固定于钢尺振子一 14，平面反射镜二 17垂直固定于钢尺振子二 15 ;总电源开关5串联于主路同时控制机械式振源系统一2、机械式振源系统二3、正六面反 射棱镜扫描系统4的通断，输出电压调节旋钮9串联于主路控制总输出电压，输出电压表10 并联于直流电源和输出电压调节旋钮9两端显示输出电压，振源一开关6与机械式振源系 统一 2中的电机串联控制其通断，振源一频率调节旋钮11与机械式振源系统一 2的电机串 联控制其转速，振源二开关7与机械式振源系统二 3中的电机串联控制其通断，振源二频率 调节旋钮12与机械式振源系统二 3中的电机串联控制其转速，扫描开关8与正六面反射棱 镜扫描系统4中的电机串联控制其通断，扫描速度调节旋钮13与正六面反射棱镜扫描系统 4的电机串联控制其转速。上述输出电压调节旋钮9、振源一频率调节旋钮11、振源二频率 调节旋钮12、扫描速度调节旋钮13由塑料旋钮和50欧电位器连接组成；可用干点池作为 直流电源。 在图2中，振动架由长方形水平端面(23)、长方形前端面(24)、长方形侧端面(25) 组成，长方形前端面(24)的水平中心可再固定一处于水平位置的长方形振台，用于固定钢 尺。在长方形侧端面(25)中心位置固定一代有滑道的水平支杆(27)，滑道方向与振动方 向垂直，为增加稳定性，可在水平滑道支杆(27)中心两端与水平端面(23)之间用竖直支杆 (26)连接并固定。为使振动架在竖直方向上做简谐振动，可在驱动轮偏离圆心某一位置连 接一个圆柱轴承(28)，将圆柱支承(28)嵌入水平支杆(27)的滑道内，驱动轮圆心与直流电 机转轴固定，电机带动驱动轮转动时，圆柱支承(28)可作为圆周上一质点绕圆心做匀速转 动，进而带动水平支杆(27)做上下运动，由于水平支杆(27)的中点始终是圆柱支承(28) 在驱动轮竖直直径方向上的投影，因此，水平支杆(27)在竖直方向上是简谐振动，由于水 平支杆(27)与振动架是刚性连接，因此振动架在竖直方向上做简谐振动。为了增加振动 架振动的稳定性，可将振动架的水平端面(23)与机架(21)用塑料弹簧片(22)连接，机架 (21)与电机用一圆柱形套管固定。圆柱形套管伸入一固定在底座上的圆柱形孔中，旋转圆 柱形套管可任意改变振动的方向。
操作过程
1)开启总电源开关(5)，调节输出电压调节旋钮(9)，使输出电压表(10)指示3V，
调节机械式振源系统一 (2)中振台的方向，使钢尺振子一 (14)与底座平行。 2)调节机械式振源系统二 (3)的振动方向为竖直。开启扫描开关(8)，调整半导
体激光光源(18)的位置，经平面反射镜一 (16)、平面反射镜二 (17)的反射，再经正六面反
射棱镜扫描系统(4)的扫描，使扫描光点落在图象接收屏(20)上，调节扫描速度调节旋钮
(13)，使扫描光点成一直线。 3)用手拨动某一钢尺，观察阻尼振动的波形。 4)开启振源一开关(6)，调节振源一频率调节旋钮(11)，观察钢尺振子一 (14)共 振与非共振时的简谐振动波形。 5)改变钢尺振子一 (14)的长度，重复第4)步观察，并调节扫描速度调节旋钮
(13) ，使扫描速度最快，根据给定的电机转速值和图象接收屏(20)上的扫描长度，测量钢 尺在不同长度时的固有频率，分析钢尺固有频率与其长度的关系。 6)调节钢尺振子一 (14)的长度，使之等于钢尺振子二 (15)的长度，开启振源一开 关(6)、振源二开关(7)，调节振源一频率调节旋钮(11)和振源二频率调节旋钮(12)，使钢 尺振子一 (14)和钢尺振子二 (15)共振，观察同方向同频率的简谐振动合成图像。
7)调节钢尺振子一 (14)的长度，使之略大于钢尺振子二 (15)的长度，进行共振调 节，观察拍现象。 8)多次改变钢尺振子一 (14)的长度，使之不同于钢尺振子二 (15)的长度，进行共 振调节，观察同方向不同频率的简谐振动合成图像。 9)关闭扫描开关(8)，将用于光路调节的平面反射镜三(19)置于底座(1)上，调 节机械式振源系统二 (3)的振动方向为水平，调整半导体激光光源(18)的位置，经平面反 射镜一 (16)和平面反射镜二 (17)的反射，再经平面反射镜三(19)的反射，使光点落在图 象接收屏(20)上。 10)调节钢尺振子一 (14)的长度，使之与钢尺振子二 (15)的长度比为整数比，开 启振源一开关(6)、振源二开关(7)，调节振源一频率调节旋钮(11)和振源二频率调节旋钮 (12)，使钢尺振子一 (14)和钢尺振子二 (15)共振，观察李萨如图形。改变长度比，重复上 述操作，观察不同频率比下的李萨如图形。在已知钢尺振子二 (15)固有频率的情况下，利 用李萨如图形快速测量钢尺振子一 (14)不同长度下的固有频率。 11)调节机械式振源系统二 (3)的振动方向为其他任意方向，调节钢尺振子一
(14) 的长度，使之与钢尺振子二 (15)的长度相等，开启振源一开关(6)、振源二开关(7)，调 节振源一频率调节旋钮(11)和振源二频率调节旋钮(12)，使钢尺振子一 (14)和钢尺振子 二 (15)共振，观察同频率不同方向的简谐振动合成图像。 12)改变调节钢尺振子一 (14)的长度，使之与钢尺振子二 (15)的长度不等，再进 行共振调节，可观察不同频率不同方向的简谐振动合成图像。
权利要求
激光扫描式振动综合演示仪，包括底座，其特征是它还包括与底座相连的机械式振源系统一，机械式振源系统二，正六面反射棱镜扫描系统，总电源开关，振源一开关，振源二开关，扫描开关，输出电压调节旋钮，输出电压表，振源一频率调节旋钮，振源二频率调节旋钮，扫描速度调节旋钮，与机械式振源系统一相连的钢尺振子一，与机械式振源系统二相连的钢尺振子二，与钢尺振子一垂直相连的平面反射镜一，与钢尺振子二垂直相连的平面反射镜二，并另设有半导体激光光源，光路调节用的平面反射镜三，图象接收屏。
2. 根据权利要求1所述的激光扫描式振动综合演示仪，其特征是上述机械式振源系 统一，机械式振源系统二是由凸轮式简谐振动机构、直流电机和振动方向调节机构组成，其 中凸轮式简谐振动机构由实心圆柱形驱动轮、与偏离驱动轮圆心上一点相连的圆柱支承， 中间带有长方形滑道的支杆、与支杆相连的带有平面振台的振动架组成；设定振动方向垂 直于平面振台，滑道的方向与振动方向垂直，带有平面镜的钢尺固定于振台，驱动轮圆心与 直流电机转轴固定，电机带动驱动轮转动时，圆柱支承在滑道内滑动，带动支杆做简谐振 动，进而推动振动架及振台上的钢尺做简谐振动；电机外套有圆柱形机架，机架与振动架之 间通过塑料弹簧片相连，增加振动架振动的稳定性；振动方向调节机构由固定于底座的带 有水平圆柱形孔和角度标记的机架构成，套有圆柱形机架的电机伸入圆柱形孔，可在其内 旋转任意改变角度，实现振动方向的改变。
3. 根据权利要求1所述的激光扫描式振动综合演示仪，其特征是与机械式振源系统 一和机械式振源系统二相连的钢尺振子一和钢尺振子二的长度和振动方向可调。
全文摘要
激光扫描式振动综合演示仪，属于物理教学仪器制造及应用技术领域，解决了同类产品功能单一的缺点。激光光线通过与两个钢尺振子分别相连的两平面反射镜的反射，再经过另一平面反射镜的反射或通过多面反射体的扫描，到达图像接收屏形成扫描光点，两钢尺振子分别与固定于底座的两机械式振源系统相连，钢尺长度可调节，其中机械式振源系统由凸轮式简谐振动机构、直流电机和振动方向调节机构组成，振动方向和振动频率均可调节。利用激光的扫描轨迹，通过不同的操作可在大教室直观演示阻尼振动、受迫振动、不同频率不同方向下的简谐振动合成图像等多种振动现象。该产品结构简单、原理透明、成本低廉，实验功能基本涵盖普通物理中有关振动的教学内容。
文档编号G01H9/00GK101751811SQ20081022994
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年12月19日
发明者于洪峰, 高朋 申请人:沈阳师范大学