专利名称：悬臂梁的受迫振动实验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用光电转换研究悬臂梁在周期性外力作用下受迫振动，其受迫 振动的振幅与周期性外力的角频率关系，受迫振动与周期性外力相位差和周期性外力的角 频率关系，受迫振动的共振角频率与悬臂梁的长度关系，高等学校学生实验的教学仪器。
背景技术：
受迫振动是物理学中振动内容的重要组成部分，物体在周期性外力持续作用下发生振 动，称为受迫振动，如果外力是按周期性的正弦或余弦规律变化，在稳定状态时，该受迫 振动是简谐振动，其振幅不随时间改变，振动角频率与外力的角频率相同，受迫振动与外 力间有恒定的相位差，改变外力的角频率，受迫振动的振幅、受迫振动与外力间的相位差 都随之发生变化，当振幅达到最大时，称为共振，这时的角频率称为共振角频率，改变受 迫振动物体的大小，其共振频率也随之发生变化，在教学中，要让学生通过实验探索认知 这些规律，至今为止，还未发现任一家教学仪器厂生产完全适合该教学内容的实验仪器。
发明内容
本实用新型提供一种悬臂梁的受迫振动实验仪，该实验仪既能研究悬臂梁在周期性外 力作用下受迫振动，其受迫振动的振幅与外力的角频率关系，受迫振动与外力间的相位差 和外力的角频率关系，受迫振动的共振角频率与悬臂梁的长度关系，又能满足理论与实验 相结合的教学要求。
本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是(参见附图
) 一种悬臂梁的受迫振动 实验仪，由光源8、悬臂梁2、黑色挡光片3、光电转换器4、周期性正弦交变磁场源IO、 以及数字示波器7构成；其黑色挡光片安装在悬臂梁的悬空端并与其垂直，光电转换器的
进光口与黑色挡光片对齐，保证悬臂梁未振动时，光线不能进入光电转换器，周期性正弦
交变磁场源放在悬臂梁下方，光源安置在悬臂梁旁边，悬臂梁2是一端固定且平面为水平 状态的具有弹性的长条片状铁磁性材料，周期性正弦交变磁场源10由精密电阻R 11与铁 磁材料圆柱体为芯的直螺线管13串联连接后，再与函数信号发生器12并联连接构成；光 电转换器4包括硅光电池5、 10欧姆精密电阻6、黑色长方体有机玻璃盒4-l，其硅光电 池5的两个电极和10欧姆精密电阻6的两端引线分别与黑色长方体有机玻璃盒4-1表面上 的四个接线柱连接，然后它们再并联连接；数字示波器7的Y,、 Y2输入端，分别与构成 光电转换器中10欧姆精密电阻两端和构成周期性正弦交变磁场源电路中的精密电阻R两 端顺序连接。
该实验仪挡光片被光源照亮后，悬臂梁出现一定振幅的周期性振动现象时，进入光电 转换器的光照度量也随之发生周期性变化，光电转换器将光信号转换成的电信号也同样发 生周期性变化，其变化情况由数字示波器用波形显示出来。
本实用新型悬臂梁的受迫振动实验仪，其光源8由定向照明卤素灯与直流稳压电源并
3联连接构成。
本实用新型悬臂梁的受迫振动实验仪，其悬臂梁是由台钳l和钢锯条构成，该钢锯条 的一端由台钳夹紧固定，其它部分悬空，并且其平面为水平状态，黑色挡光片3安装在悬 臂梁的悬空端并与其垂直。
本实用新型悬臂梁的受迫振动实验仪，其光电转换器4由黑色长方体有机玻璃盒4-l， 密封的光电转换器件、10欧姆精密电阻6构成，该黑色长方体有机玻璃盒的左表面开了一 个长方形进光口，右表面安装了四个接线柱，光电转换器件为长方形片状的硅光电池5， 用有机玻璃密封成长方体，受光照射面为无色透明，其它为黑色，安装在黑色长方体有机 玻璃盒的上表面下面，与该盒的前、后、及上表面垂直，受光照射面朝向为左表面进光口 方向，并与进光口对齐，光电池的两个电极用条形弹性金属片引出并分别与右表面的两个 接线柱连接，10欧姆精密电阻6两端引线分别与右表面的另两个接线柱连接，然后它们再 并联连接。
光源用定向照明卤素灯和直流稳压电源并联连接构成，主要是考虑到该灯光方向性较 好，照明范围较大，卤素灯的电源用直流稳压电源，主要是为了使卤素灯发出的光稳定。 光电转换器用长方形硅光电池，黑色长方体有机玻璃盒和IO欧姆精密电阻构成，为了避免 光电池损坏，用有机玻璃密封，形成长方体，其受光照射面为无色透明，其他为黑色，两 个电极用条形弹性金属片引出，安装在黑色长方体有机玻璃盒上表面下面，与该盒的上表 面、前表面及后表面垂直，其受光照射面朝向左方，在该盒的左表面开一个长方形进光口， 其大小与长方形光电池相同并对准，在该盒的右表面安装四个接线柱，其中两个与光电池 两电极连接，另外两个与IO欧姆精密电阻两端引线连接，然后它们再并联连接，就构成了 光电转换器，这里选用硅光电池，主要是考虑到硅光电池具有一系列优点性能稳定，光 谱范围宽，传递效率高，耐高温辐射。这里长方体盒选用黑色有机玻璃，主要是为避免与 实验无关的光线的影响。这里选用IO欧姆精密电阻，主要是考虑到当有光照射光电池时保 证电路中的光电流与光照度间有良好的线性关系，其理由是根据硅光电池的短路(外接负 载电阻远小于硅光电池内阻)电流与光照度间有良好的线性关系，而开路(外接负载电阻 远大于硅光电池内阻)电压与光照度为非线性指数关系，又根据由实验得到的硅光电池光 照度与外接负载电阻的关系图可知，外接负载电阻在IOO欧姆以下，光电流与光照度间线 性关系是较好的，外电阻越小光电流与光照度间线性关系越好，而且线性范围越宽。悬臂 梁是用钢锯条和台钳构成，将钢锯条的一端用台钳夹紧固定，其它部分悬空，并使其平面 为水平状态，就构成了一种悬臂梁，为了稳定，将台钳固定在较厚的黑色长方形有机玻璃 板14上，该玻璃板由四个脚支起水平放置。这里选用钢锯条，主要是考虑到钢锯条具有弹 性，在交变的磁场中能被磁化，同时受到交变的磁力作用较易产生振动现象。挡光片选用 簿而轻并且较硬的黑色纸或胶片做成，其大小与光电转换器的进光口相同。周期性正弦交 变磁场源，由铁磁材料圆柱体为芯的直螺线管13、精密电阻R串联连接后，再与函数信号 发生器12并联连接构成。这里选用函数信号发生器，主要是为了提供频率和幅度都可以调 的正弦交流电压信号。选用铁磁材料圆柱体为芯的直螺线管，是为了使正弦交变磁场强度选用精密电阻R，主要是考虑到在交流电路中，电阻上的电压与流过该电阻的电流同相位， 即两者间相位差为零，可以用示波器显示电阻上的电压波形，由此知道电流的波形，从而 知道该电流通过直螺线管时所产生交变磁场的波形和交变磁场作用力的波形。示波器选用 数字不波器7，因为该示波器有一系列的实用功能，有利于实验顺利进行。将周期性正弦 交变磁场源安装在悬臂梁的下方的较厚的黑色长方形有机玻璃板14上，使其中的直螺线管 的轴线与悬臂梁的平面垂直，两者间有一定距离，将其中的精密电阻R两端与数字示波器 的Y2输入端连接，将光电转换器放在较厚的黑色长方形有机玻璃板14上，使光电转换器 的进光口与安装在悬臂梁的悬空端上的挡光片对齐，保证悬臂梁未振动时，光线不能进入 光电转换器，将光电转换器中的10欧姆精密电阻两端与数字示波器Y!输入端连接。将光 源安装在悬臂梁旁边，保证能照亮整个挡光片，当挡光片被光源照亮后，适当调节函数信 号发生器输出的正弦交变电压信号的大小和频率，使悬臂梁出现一定振幅的周期性振动现 象，这时，进入光电转换器的光照度暈也随之发生周期性变化，光电转换器将光信号转换 成的屯信号也同样发生周期性变化，周期性是相同的，其变化情况由数字示波器用波形显 示出来，而产生正弦交变磁场的正弦交变电流的变化情况也同时由数字示波器用波形(实 际是精密电阻R上的电压的波形)显示出来，改变函数信号发生器输出的正弦交流电压信 号的频率，悬臂梁的振幅随之发生改变，数字示波器显示的波形的振幅、相位也发生改变， 这样，就可研究悬臂梁受迫振动的振幅与周期性外力的角频率关系，研究悬臂梁的受迫振 动与周期性外力间的相位差和周期性外力的角频率关系，研究悬臂梁受迫振动的共振角频 率与悬臂梁的长度关系，完善高等学校有关受迫振动教学的理论与实验相结合的体系。
本实用新型的有益效果是可以让学生用实验的方法研究探索认知悬臂梁受迫振动的 有关规律与特性，完善理论与实验相结合教学，可解决目前市场上无此类产品而高等学校 实验教学又需要此类产品的状况。以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明
图l是本实用新型的原理图
图2是本实用新型的结构原理图
图中，l-台钳、2-悬臂梁、3-黑色挡光片、4-光电转换器、4-1黑色长方体有机玻璃盒、 5-硅光电池、6-10欧姆精密电阻、7-数字示波器、8-光源、9-光源发出的光、10-周期性正 弦交变磁场源、ll-精密电阻R、 12-函数信号发生器、13-铁磁材料圆柱体为芯的直螺线管、 14-黑色长方形有机玻璃板。
具体实施方式
本实用新型实施例结构如图所示，图示悬臂梁的受迫振动实验仪，由光源8、悬臂梁2、 黑色挡光片3、光电转换器4、周期性正弦交变磁场源10、以及数字示波器7构成，黑色 挡光片3安装在悬臂梁2的悬空端，光电转换器4的进光口与黑色挡光片对齐，保证悬臂 梁未振动时，光线不能进入光电转换器，周期性正弦交变磁场源放在悬臂梁下方，光源安 置在悬臂梁旁边，周期性正弦交变磁场源10由精密电阻R 11与铁磁材料圆柱体为芯的直螺线管13串联连接后，再与函数信号发生器12并联连接构成；光电转换器4包括硅光电 池5、 10欧姆精密电阻6、黑色长方体有机玻璃盒4-l，其硅光电池5的两个电极和10欧 姆精密电阻6的两端引线分别与黑色长方体有机玻璃盒4-l表面上的四个接线柱连接，然 后它们再并联连接；数字示波器7的Y卜Y2输入端，分别与构成光电转换器4中IO欧姆 精密电阻6两端和构成周期性正弦交变磁场源10电路中的精密电阻R 11两端顺序连接。
有机玻璃盒为黑色长方体有机玻璃盒，有机玻璃盒用三氯甲垸粘合而成，在该盒的右 表面钻有四个孔，安装四个接线柱，硅光电池5用有机玻璃密封，受光照射面用l毫米厚 无色透明有机玻璃，其它为黑色有机玻璃，用三氯甲垸粘合，硅光电池的两个电极用条形 弹性金属片引出来，再用三氯甲垸将它粘合在有机玻璃盒上表面下面，分别与该盒的上表 面、前表面及后表面垂直，受光照射面朝向左方并与进光口对准，将硅光电池的两个电极、 10欧姆精密电阻的两端引线分别与有机玻璃盒右表面上的四个接线柱连接，再将它们并联 连接，就构成了光电转换器。光源8由6伏10瓦定向照明卤素灯和直流稳压电源并联连接 构成。直流稳压电源可选用成品AC/DC模块电源。周期性正弦交变磁场源10由铁磁材料 圆柱体为芯的直螺线管13和精密电阻R 6串联连接后，再与函数信号发生器12并联连接 构成。铁磁材料用软磁材料，直螺线管用漆包线绕成，函数信号发生器选用成品函数信号 发生器，IO毫米厚黑色长方形有机玻璃板14，它由四个脚支起，四个脚选用有机玻璃圆柱 体，用三氯甲垸粘合。
悬臂梁是由台钳l和钢锯条构成，该钢锯条的一端由台钳夹紧固定，其它部分悬空， 并且其平面为水平状态，黑色挡光片3安装在悬臂梁的悬空端并与其垂直。
权利要求1、一种悬臂梁的受迫振动实验仪，其特征是它由光源(8)、悬臂梁(2)、黑色挡光片(3)、光电转换器(4)、周期性正弦交变磁场源(10)、以及数字示波器(7)构成，黑色挡光片(3)安装在悬臂梁(2)的悬空端并与其垂直，光电转换器(4)的进光口与黑色挡光片对齐，保证悬臂梁未振动时，光线不能进入光电转换器，周期性正弦交变磁场源放在悬臂梁下方，光源安置在悬臂梁旁边，其悬臂梁(2)是一端固定且平面为水平状态的具有弹性的长条片状铁磁性材料，周期性正弦交变磁场源(10)由精密电阻R(11)与铁磁材料圆柱体为芯的直螺线管(13)串联连接后，再与函数信号发生器(12)并联连接构成；光电转换器(4)包括硅光电池(5)、10欧姆精密电阻(6)、黑色长方体有机玻璃盒(4-1)，其硅光电池(5)的两个电极和10欧姆精密电阻(6)的两端引线分别与黑色长方体有机玻璃盒(4-1)表面上的四个接线柱连接，然后它们再并联连接；数字示波器(7)的Y1、Y2输入端，分别与构成光电转换器(4)中10欧姆精密电阻(6)两端和构成周期性正弦交变磁场源(10)电路中的精密电阻R(11)两端顺序连接。
2、 根据权利要求1所述的悬臂梁的受迫振动实验仪，其特征是光源(8) 由定向照明卤素灯与直流稳压电源并联连接构成。
3、 根据权利要求1所述的悬臂梁的受迫振动实验仪，其特征是悬臂梁(2)由台钳(1)和钢锯条构成，该钢锯条的一端由台钳夹紧固定，其它部分悬空，并 且其平面为水平状态。
4、 根据权利要求1所述的悬臂梁的受迫振动实验仪，其特征是光电转换器(4)由黑色长方体有机玻璃盒(4-1)，密封的光电转换器件、10欧姆精密电阻 (6)构成，该黑色长方体有机玻璃盒的左表面开了一个长方形进光口，右表面安 装了四个接线柱，光电转换器件为长方形片状的硅光电池(5)，用有机玻璃密封 成长方体，受光照射面为无色透明，其它为黑色，安装在黑色长方体有机玻璃盒 的上表面下面，与该盒的前、后、及上表面垂直，受光照射面朝向为左表面进光 口方向，并与进光口对齐，光电池的两个电极用条形弹性金属片引出并分别与右 表面的两个接线柱连接，10欧姆精密电阻(6)两端引线分别与右表面的另两个 接线柱连接，然后它们再并联连接。
专利摘要一种悬臂梁的受迫振动实验仪，由光源(8)、悬臂梁(2)、黑色挡光片(3)、光电转换器(4)、周期性正弦交变磁场源(10)、以及数字示波器(7)构成，黑色挡光片安装在悬臂梁的悬空端，光电转换器的进光口与黑色挡光片对齐，保证悬臂梁未振动时，光线不能进入光电转换器，周期性正弦交变磁场源放在悬臂梁下方，光源安置在悬臂梁旁边，挡光片被光源照亮后，调节函数信号发生器输出的正弦电压信号的大小和频率，使悬臂梁出现一定振幅的周期性振动现象，这时，进入光电转换器的光照度量也随之发生周期性变化，光电转换器将光信号转换成的电信号也同样发生周期性变化，示波器用波形显示其变化情况，进而可研究悬臂梁受迫振动的有关规律和特性。
文档编号G09B23/10GK201289701SQ200820192418
公开日2009年8月12日 申请日期2008年11月13日 优先权日2008年11月13日
发明者余兰山, 蓉 刘, 周宗运, 王建中, 高明向 申请人:华中师范大学