专利名称：受迫振动、共振演示实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种教学器材，具体是适用于振动教学中的受迫 振动、共振现象演示实验装置。
背景技术：
在高中物理教学中，关于受迫振动的频率及共振的教学，是分别 由两个演示实验完成的。目前中学物理实验室现有的按教材配置的两 个实验装置，在演示相关实验现象时存在较大问题，难以达到预期的 实验教学效果。
现有用于研究受迫振动频率的实验装置是由一可改变转速的小 型电动机、偏心轮及二个弹簧振子组成。装置中二个弹簧振子做受迫 振动的周期性驱动力由电动机提供，改变电动机的转速可调整驱动力 的频率。教材要求在实验中记录驱动力的周期和振子振动的周期，通 过比较得出驱动力的周期(频率)与振子振动的周期(频率)的关系， 即物体做受迫振动时的频率等于驱动力频率。该实验在教学中明显存 在以下几个问题 一是电动机转动的周期(或偏心轮转动的周期)不 能目测，既使用秒表来测量也有一定的困难，实验中根本无法记录。 二是当启动电动机驱动振子做受迫振动时，振子振动并不稳定，几乎 只有在发生共振时振子振动才比较稳定，当逐渐调节电动机转速时， 振子振动的频率难以随之同步。三是电动机带动偏心轮转动，使悬挂 在偏心轮上的细线周期性上下扯动，进而驱动振子做受迫振动，这一 驱动力传递过程可视性不强，除前排几个学生可看到外，稍后排点的 学生根本无法看到。
教材配置用于演示共振现象的实验装置是由悬挂在一横绳上的 系列单摆组成。当使驱动摆振动时，通过绳子给其他摆以驱动力，从而使其他摆做受迫振动，以此演示受迫振动的振幅与固有频率的关系 以及共振现象。该实验在实际中观察到的现象并非如预想中那样，实 验中在提供周期性驱动力的驱动摆开始摆动后，开始时是与驱动摆邻 近的两摆振动明显，且振幅大于离驱动摆较远的共振摆，然后是共振 摆振幅逐渐增大，而驱动摆的振幅逐渐减小，到一定程度后，共振摆 振幅又会逐渐变小，驱动摆振幅逐渐增大，并如此反复。该实验中不 仅各摆的振幅在不停地交替变化，而且各摆的频率与驱动摆频率也不 相同，差异非常明显，不能很好地演示受迫振动的振幅与固有频率的 关系以及共振现象。该实验装置事实上是一种耦合振动系统，而并非 共振装置。两者根本区别在于，共振装置的驱动源能量和传给受迫振 动部分的能量相比足够大，即驱动源可视为能量库，不断地输入能量。 而耦合摆则不同，驱动摆的能量有限，当满足理想耦合条件时，能量 将在驱动摆与受迫振动部分之间来回传递。很明显，用一个耦合振动 装置来演示共振现象，在实验原理的科学性方面也是欠妥的。 发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能更好地 演示受迫振动频率、共振现象、并能定性说明共振曲线，实验效果更 显著的受迫振动、共振演示实验装置。
为实现上述目的，本实用新型采用一种受迫振动、共振演示实验 装置，包括驱动摆、横杆、支架和从动摆，从动摆由多个带摆线的钢 球组成，各摆按摆长，即固有频率的大小依次排列，与驱动摆一起悬 挂在横杆上，横杆为一金属杆，横杆可转动地水平设置在支架，横杆 的两端分别套在支架左、右两侧柱的滚动轴承上，驱动摆置于支架的 外侧一端，从动摆置于支架的内侧，驱动摆与从动摆通过横杆构成联 动连接。
为避免出现耦合振动，本实用新型进一步设置为驱动摆由金属条 和固定在金属条下端的钢球组成，钢球质量远大于从动摆中的钢球质 量，驱动摆的金属条上端部穿过横杆上的通孔并与之固定连接，从动
4摆的摆线采用弹簧钢丝。
为在实验中方便调节驱动力的频率，本实用新型进一步设置为横 杆上开设与通孔垂直的锁紧孔， 一锁紧螺钉穿过锁紧孔并压紧通孔内 的金属条，金属条通过锁紧螺钉与横杆构成可调上下移动。
为了在实验中可方便调节从动摆摆长或取下从动摆，本实用新型 进一步设置为横杆上开有多个小孔，连接从动摆钢球的弹簧钢丝穿过 小孔后可拆卸地连接在横杆的螺钉上。
为确保各摆振动时支架稳定不动，本实用新型再进一步设置为支 架由三角铁焊接而成，支架着地处安装4个带有橡皮垫的可调螺旋 脚。
本实用新型相比现有技术而言，既可以进行研究受迫振动的频率 与驱动力频率关系、振幅与固有频率关系、共振现象，又可定性说明 共振曲线， 一具多得，整个装置构造简洁美观、坚实耐用，还具有以 下优点
1、 基本上消除了驱动摆与从动摆以及各从动摆之间相互耦合的 影响，不会出现从动摆振幅先变大，后变小的情况。而用以悬挂从动 摆的钢性横杆对各从动摆扭转驱动效果完全相同，在共振演示时，共 振摆摆幅从振动一开始便大于其它从动摆。
2、 各从动摆的摆线采用了弹性好的弹簧钢丝，横杆对各从动摆 能产生较大得扭转力矩，使得各从动摆作受迫振动时能保持同步(即 频率相等)，而各摆的振幅被整体"放大"，可明显比较出各摆固有频 率与驱动力频率相差大小不同时的振幅大小的差异。同时也使各从动 摆起振时间短，节省课堂时间。
3、 实验要表达的原理直观明显，驱动力的传递过程、驱动力的 频率与从动摆的固有频率及作受迫振动时的频率关系一 目了然。而装 置将从动摆、驱动摆分别置于框架内外，也有利于学生观察比较。
4、 驱动摆与横杆连接采用的活动结构，使得调节驱动力的频率
简单易行。而从动摆也可根据实验需要方便的调节摆长或取下。
图1是本实用新型实施方式结构示意图。
图2是本实用新型实施方式横杆与金属条连接结构示意图。
具体实施方式
如图1、 2所示，本实用新型的具体实施例是一种受迫振动、共 振演示实验装置，包括横杆1、支架2、驱动摆3和从动摆4，从动 摆4由多个带摆线41的钢球42组成，各摆按摆长，即固有频率的大 小依次排列，该摆线41采用弹簧钢丝，支架2由三角铁焊接而成， 支架2着地处安装4个带有橡皮垫的可调螺旋脚5，横杆1可转动地 水平设置在支架2，横杆1的两端分别套在支架2左、右两侧柱的滚 动轴承6上，驱动摆3由金属条31和固定在金属条31下端的钢球 32组成，钢球32质量要大于从动摆4中的任一钢球42质量，驱动 摆3位于支架2 —侧并与横杆1构成联动连接，横杆1上对应驱动摆 3所在一端沿纵向形成通孔11，同时开设与通孔11垂直的锁紧孔12， 驱动摆3的金属条31活动端311穿过横杆1上的通孔11， 一锁紧螺 钉7穿过锁紧孔12并压紧里侧的金属条31，金属条31通过锁紧螺 钉7与横杆1构成可调上下移动。在横杆1上对应从动摆4的钢球 42位置形成与钢球42数量相同的小孔，与钢球42相连的摆线41上 端穿过小孔，并固定在小孔一侧的螺钉8上。
本实用新型使用过程
1、 演示受迫振动的频率
① 推动各从动摆，使之摆动，此时横轴不会转动，各摆互不影响， 各自做自由振动，观测比较各摆的固有频率(周期)，可看出各摆固 有频率(周期)不相同，摆长越长固有频率越小(周期越大)。
② 推动驱动摆，使之摆动，此时驱动摆带动横轴转动，进而驱动 各从动摆做受迫振动，可观察到各从动摆与驱动摆同步摆动。调整驱 动摆摆长，改变驱动力的频率，各从动摆与驱动摆仍同步摆动。
通过上述实验步骤得出在周期性驱动力作用下，单摆做受迫振
动的频率等于驱动力的频率，而与单摆固有频率无关。
2、 演示共振现象① 调节驱动摆摆长，使之与中间那个从动摆摆长相同。
② 推动驱动摆，使之摆动，从动摆同时被驱动，观察比较各从动 摆的摆幅。可观察到从动摆中摆长与驱动摆摆长越接近的摆幅越大， 相同的最大。并且随着振动的持续，与驱动摆摆长相同的从动摆摆幅 越来越大，共振现象非常明显。
③再调节驱动摆摆长，使之与另一个从动摆摆长相同，重复实验。 通过上述实验步骤得出当驱动力的频率等于做受迫振动物体的固有 频率时，受迫振动的振幅最大，即产生共振现象。(有阻尼的振动， 驱动力的频率要略小于固有频率)。 3、定性说明共振曲线
① 留下中间一个从动摆，将其余从动摆取下。
② 依次调节驱动摆摆长，可由长至短(频率由小到大)取五个位 置，分别使驱动摆摆动，每次摆动时使驱动摆摆幅基本保持相同。观 察比较各次从动摆摆幅大小。
通过上述实验步骤得出当驱动力的频率逐渐接近做受迫振动物体固 有频率时，振幅逐渐增大，逐渐远离固有频率时振幅逐渐减小，从而 定性说明共振曲线。
权利要求1、一种受迫振动、共振演示实验装置，包括驱动摆、横杆、支架和从动摆，从动摆由多个带摆线的钢球组成，各摆按摆长，即固有频率的大小依次排列，与驱动摆一起悬挂在横杆上，其特征在于所述横杆为一金属杆，横杆可转动地水平设置在支架，横杆的两端分别套在支架左、右两侧柱的滚动轴承上，驱动摆置于支架的外侧一端，从动摆置于支架的内侧，驱动摆与从动摆通过横杆构成联动连接。
2、 根据权利要求1所述的受迫振动、共振演示实验装置，其特 征在于所述驱动摆由金属条和固定在金属条下端的钢球组成，钢球 质量远大于从动摆中的钢球质量，驱动摆的金属条上端部穿过横杆上 的通孔并与之固定连接，从动摆的摆线采用弹簧钢丝。
3、 根据权利要求1或2所述的受迫振动、共振演示实验装置， 其特征在于所述横杆上开设与通孔垂直的锁紧孔， 一锁紧螺钉穿过 锁紧孔并压紧通孔内的金属条，金属条通过锁紧螺钉与横杆构成可调 上下移动。
4、 根据权利要求1或2所述的受迫振动、共振演示实验装置， 其特征在于所述横杆上开有多个小孔，连接从动摆钢球的弹簧钢丝 穿过小孔后可拆卸地连接在横杆的螺钉上。
5、 根据权利要求3所述的受迫振动、共振演示实验装置，其特 征在于所述横杆上开有多个小孔，连接从动摆钢球的弹簧钢丝穿过 小孔后绕在固定在横杆的螺钉上。
6、 根据权利要求1或2所述的受迫振动、共振演示实验装置，其特征在于所述支架由三角铁焊接而成，支架着地处安装4个带有 橡皮垫的可调螺旋脚。
专利摘要本实用新型公开了一种受迫振动、共振演示实验装置，包括驱动摆、横杆、支架和从动摆，从动摆由多个带摆线的钢球组成，各摆按摆长，即固有频率的大小依次排列，与驱动摆一起悬挂在横杆上，横杆为一金属杆，横杆可转动地水平设置在支架，横杆的两端分别套在支架左、右两侧柱的滚动轴承上，驱动摆置于支架的外侧一端，从动摆置于支架的内侧，驱动摆与从动摆通过横杆构成联动连接。本装置中当驱动摆摆动后，通过驱动摆的金属条驱使横杆来回扭动，进而驱使各从动摆摆动，从而演示受迫振动的频率与驱动力的频率关系、共振等实验现象，同时使得驱动力的传递过程一目了然，即能更好地演示受迫振动频率、共振现象、并能定性说明共振曲线，实验效果更显著。
文档编号G09B23/10GK201364675SQ20092011533
公开日2009年12月16日 申请日期2009年3月10日 优先权日2009年3月10日
发明者王健浩, 王建胡 申请人:王建胡;王健浩