演示物体固有频率的物理教具及比较不同金属条固有频率的方法与流程

本发明涉及物理教具，特别是一种演示物体固有频率的物理教具及比较不同金属条固有频率的方法。

背景技术：

任何物体都具有固有频率，由它的材质、结构、大小、形状等因素来决定，固有频率是物体自身固有的一个物理特征。当物体受到某一特定频率策动时，能够引起振动并使振幅达到最大值，这个频率就是物体固有频率。

中国发明专利申请zl201010170424.4公开了电磁驱动式共振、固有频率演示器，其是通过电磁铁的极性不断发生变化，从而对电磁铁下方的金属长条一会吸引一会不吸引，产生一个周期性变化的策动力，使得金属长条不断上下抖动，所以通过控制低频信号发生器的频率，可以使得金属长条震动幅度不断的变化，当低频信号发神器的频率与金属长条的频率相同时，达到共振，此时金属长条的震动幅度最大。这种固有频率的演示装置，在金属长条震动时是通过肉眼进行观察的，由于是凭借人的感觉来判断是否达到最大振幅的，定位固有频率误差大，肉眼观察也不能确定其振幅的大小，而且当使用不同的材质和截面的长条形工件进行测试时，由于是肉眼观察的，有时两个不同工件之间的固有频率相差小，很难直观的看出其中的区别，因此，发明一种观察直管，且可以直管的看出振幅的大小的装置是急需解决的问题。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供一种演示物体固有频率的物理教具及比较不同金属条固有频率的方法，有效的解决了现有技术中的固有频率演示装置使用肉眼观察精度低，不能明显区别不同工件之间的固有频率的大小的问题。

本发明演示物体固有频率的物理教具，包括底座、金属条、低频信号发生器和电磁铁，其特征在于，所述金属条的一端经夹具夹持，所述金属条的另一端悬空置于电磁铁下方，还包括一端转动连接且可以上下转动的第一杠杆，所述第一杠杆的下端接触金属条，所述第一杠杆的转动连接端到金属条的距离小于第一杠杆自由端到金属条的距离，还包括一端转动连接且可以上下转动的第二杠杆，所述第二杠杆和第一杠杆之间具有当第一杠杆向上移动时带动第二杠杆向上移动的结构，所述第二杠杆的转动连接端到第一杠杆的距离小于第二杠杆自由端到第一杠杆的距离，所述第二杠杆上端轴向滑动设有置于第一杠杆和第二杠杆自由端之间的连接块，所述连接块上铰接竖向滑动设置的驱动齿条，所述驱动齿条上啮合有驱动齿轮，所述驱动齿轮具有当齿条向上移动时转动的单向结构，所述驱动齿轮同轴连接有第一连接齿轮，所述第一连接齿轮上啮合有第一终端齿轮，所述第一终端齿轮上啮合有终端齿条，还包括设置在终端齿条径向一侧的带有刻度的刻度板，所述终端齿条上连接有照射到刻度板上的红外笔。

一种比较不同金属条固有频率的方法，其特征在于，1）将金属条的一端进行夹持，另一端使用激振装置对其进行激振；

2）将金属条的振动进行单向放大，可以是单向向上放大，也可以是单向向下放大；

3）将放大后的振幅转换为直线运动，进而带动红外笔朝着刻度板进行投射；

4）红外笔最后投射出来的最大刻度即为金属条的最大振幅，相应的激振装置的频率即为金属条的固有频率，记录下此时的固有频率；

5）依次将不同截面的金属条进行上述步骤，对其固有频率进行比较。

本发明通过电磁铁对金属条产生的振动，通过夹具夹持金属条，通过第一杠杆和第二杠杆来放大振幅，通过驱动齿条还有一组齿轮来来继续放大振幅且将金属条的振动转化为终端齿条的直线运动，终端齿条在放大多次的振幅的作用下沿直线进行移动，带动激光笔将激光点投射到刻度板上以显示振幅的大小，激光点只能单向移动，当金属条达到最大振幅时，激光点静止在最大振幅对应的刻度上，观察直管明显，不用再用人眼去迅速的捕捉，且有利于不同材质和不同截面的金属条的固有频率的对比，实用性强。

附图说明

图1为本发明视角一立体示意图。

图2为本发明视角二立体示意图。

图3为本发明视角三立体示意图。

图4为本图3中a部放大图。

图5为本发明升降板和支撑板之间为升降丝杠时的部分示意图。

图6为本发明上夹板和下夹板夹持金属条的示意图。

图7为本发明夹持筒的示意图。

图8为本发明弧形导槽和滑轮之间的连接图。

具体实施方式

以下结合附图1-8对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例1，包括底座1、金属条2、低频信号发生器和电磁铁3，其特征在于，所述金属条2的一端经夹具4夹持，所述金属条2的另一端悬空置于电磁铁3下方，还包括一端转动连接的可上下转动的第一杠杆5，所述第一杠杆5的下端接触金属条2，所述第一杠杆5的转动连接端到金属条2的距离小于第一杠杆5自由端到金属条2的距离，还包括一端转动连接的可上下转动的第二杠杆6，所述第二杠杆6和第一杠杆5之间具有当第一杠杆5向上移动时带动第二杠杆6向上移动的结构，所述第二杠杆6的转动连接端到第一杠杆5的距离小于第二杠杆6自由端到第一杠杆5的距离，所述第二杠杆6上端轴向滑动设有置于第一杠杆5和第二杠杆6自由端之间的连接块7，所述连接块7上铰接竖向滑动设置的驱动齿条8，所述驱动齿条8上啮合有驱动齿轮9，所述驱动齿轮9具有当驱动齿条8向上移动时转动的单向结构，所述驱动齿轮9同轴连接有第一连接齿轮10，所述第一连接齿轮10上啮合有第一终端齿轮11，所述第一终端齿轮11上啮合有终端齿条12，还包括设置在终端齿条12径向一侧的带有刻度的刻度板44，所述终端齿条12上连接有照射到刻度板44上的红外笔13。此红外笔为直线灯，其目的是照射出一条直线，类似于教鞭上照射的光线，指示到刻度板的刻度上，以显示终端齿条对应的刻度。

实施例2，在实施例1的基础上，所述底座1上设有可沿着金属条2长度方向移动的支撑板14，所述支撑板14下方经丝杠螺母15连接有沿着金属条方向设置的丝杠16，所述夹具4固定在支撑板14上，所述丝杠16背向金属条2的一端上设有手轮17，所述支撑板14上方设有可以升降的升降板18，所述夹具4置于升降板18上端。具体是，丝杠16的前后两部转动固定在底座1上，丝杠16的背向金属条2的一端伸出其转动固定的位置且套有手轮17，使用时，通过手轮17拧动丝杠16，可以经支撑板14带动夹具4沿着金属条2长度方向移动，可以调节金属条2置于电磁铁3下方的位置。支撑板14下端可以滑动设置在导轨上，此导轨是固定在底座上的。夹具4可拆卸连接在升降板18上端，夹具4可以是经螺栓紧固在升降板18上，这样，当需要夹持不同截面的金属条2时，可以更换不同的夹具4来夹持，升降板18和支撑板14之间可以经过剪叉式升降架来连接，这样剪叉式升价架和升降板18之间就构成了剪叉式升降平台，当然升降板18和支撑板14之间可以在中间位置设置一个升降丝杠19，升降丝杠19的下端转动连接在支撑板14上，升降丝杠19下部固定有手拧杆20，所述手拧杆20上端的升降丝杠上旋拧有丝杠螺母，丝杠螺母和升降板18之间连接有多个连接杆21，支撑板14上端固定有多个竖向的围绕升降丝杠19四周设置的滑杆22，所述滑杆22上端穿出升降板18，所述滑杆22与升降板18之间竖向滑动配合。夹具4可以是三爪卡盘夹具，也可以是包括一个可拆卸连接在支撑板14上的下夹板401，在下夹板401上经螺栓连接有上夹板402，当需要夹紧截面为矩形的长条形金属条2时，将金属条2放在上下夹板之间，然后使用螺栓将上下夹板夹紧即可。夹具4体也可以是包括一个夹持筒23，所述夹持筒23沿其长度方向间隔设置多组螺栓组，所述螺栓组由多个沿着夹持筒圆周均布的夹持螺栓构成，夹持穿透夹持筒且与夹持筒螺纹配合，这样当需要夹持多边形的金属条2时，将金属条2放置在夹持筒的中心位置，然后旋拧多个夹持螺栓，让其顶着金属条2的各个端面使其紧固即可，在夹持螺栓的两端分别旋拧有压在夹持筒上的紧固螺母，紧固螺母和夹持筒之间可以设置弹性垫片，以使得夹持螺栓固定紧固。

实施例3，在实施例1的基础上，所述底座1上端固定有第一竖板24，所述第一杠杆5转动连接在第一竖板24上，所述第一杠杆5的自由端转动连接有竖向的第一滑轮25，所述底座1上固定有面朝第一滑轮25的与第一滑轮25配合的第一弧形导槽26，所述第一滑轮25置于第一弧形导槽26内，所述第一弧形导槽26的形状沿着第一滑轮25的轨迹设置，第一弧形导槽26内设有支撑第一滑轮25的将第一杠杆5保持水平状的限位块27。所述限位块27可拆卸连接在第一弧形导槽26内，当需要调整限位块27的位置时，可以拆下调整。设置第一弧形导槽26可以防止第一杠杆5径向晃动，将第一杠杆5限位在只能上下转动，第一滑轮25在径向上是卡在第一弧形导槽26内的，第一滑轮25只能沿着第一弧形导槽26的弧形轨迹上滑动，不能径向移动。将第一杠杆5保持水平的状态，水平的接触金属条2的上端面。

实施例4，在实施例1的基础上，所述底座1上端固定有第二竖板28，所述第二杠杆6转动连接在第二竖板28上，第二杠杆6的自由端转动连接有竖向的第二滑轮29，所述底座1上固定有面朝第二滑轮29的与第二滑轮29配合的第二弧形导槽30，所述第二滑轮29置于第二弧形导槽30内，所述第二弧形导槽30的形状沿着第二滑轮29的轨迹设置。第二弧形导槽30内可以设置设有支撑第二滑轮29的将第二杠杆6保持水平状的限位块27。所述限位块27可拆卸连接在第二弧形导槽30内，当需要调整限位块27的位置时，可以拆下调整。设置第二弧形导槽30可以防止第二杠杆6径向晃动，将第二杠杆6限位在只能上下转动，第二滑轮29在径向上是卡在第二弧形导槽30内的，第二滑轮29只能沿着第一弧形导槽26的弧形轨迹上滑动，不能径向移动。将第二杠杆6保持水平的状态，水平的接触金属条2的上端面。

实施例5，在实施例1的基础上，所述第二杠杆6和第一杠杆5之间具有当第一杠杆5向上移动时带动第二杠杆6向上移动的结构为：所述第一杠杆5上沿着其长度方向滑动套有第一滑块31，所述第二杠杆6上沿着其长度方向滑动套装有第二滑块32，所述第二滑块32置于第一滑块31下方，所述第一滑块31和第二滑块32之间铰接。所述铰接可以是球铰接。当第一杠杆5水平时第二杠杆6也保持水平状。将第二滑块32和第一滑块31球铰接，当第一杠杆5被金属条2驱动向上转动时，带动第一滑块31向上移动，第一滑块31向上移动的同时，第一杠杆5相对第一滑块31发生轴向移动，第一滑块31向上移动经球铰接件（也可以是万向接头）带动第二滑块32向上移动，第二滑块32带动第二滑杆向上移动，同时第二滑杆在向上移动到过程中相对第二滑块32轴向移动，在移动的过程中第一滑块31和第二滑块32之间相对转动。这样，使得第一杠杆5的上移带动第二杠杆6的上移。

实施例6，在实施例1的基础上，所述第二杠杆6上端设有轴向延伸的倒t形滑槽33，所述连接块7下端设有与倒t形滑槽33配合的倒t形件，所述倒t形件滑动置于倒t形滑槽33内，连接块7上端铰接驱动齿条8，所述底座1上设有第三竖板34，驱动齿条8竖向滑动连接在第三竖板34上。当第二杠杆6向上转动时，带动连接块7向上移动，连接块7向上移动带动驱动齿条8线上移动，驱动齿条8被第三竖板34限位在只能上下移动。在第二杠杆6向上转动的过程中，连接块7和驱动齿条8之间相对转动，连接块7在t形滑槽33内滑动。

实施例7，在实施例1的基础上，所述底座1上间隔设有第四竖板35和第五竖板36，所述第四竖板35和第五竖板36之间转动连接有转轴37，驱动齿轮9套固在转轴37上，所述转轴37上套有棘轮38，所述棘轮38上设有经压片39压向棘轮38的棘爪40，所述第一连接齿轮10套固在转轴37上，所述第一终端齿轮11内穿设有一端转动连接在第四竖板35上的连接轴。第四竖板35置于第二杠杆6的内侧，第五竖板36置于第二杠杆6的外侧。第三竖板34和第四竖板35可以为同一个板。

实施例8，在实施例7的基础上，所述第一连接齿轮10背向齿条方向的转轴37上套固有直径大于第一连接齿轮10的第二连接齿轮41，所述第二连接齿轮41啮合有第二终端齿轮42，当终端齿条12径向平移到第二终端齿轮42下方时与第二终端齿轮42啮合。第二终端齿轮42也可以经一个连接轴转动连接在第五竖板36上。

实施例9，在实施例1的基础上，所述底座1上设有可沿着终端齿条12径向移动的滑板43，所述终端齿条12轴向可移动连接在滑板43上。滑板43下端固定有支撑脚，支撑脚沿着终端齿条12径向可移动连接在底座1上。可以在底座1上对应于支撑脚开出沿着终端齿条12径向延伸的滑槽，支撑脚滑动连接在滑槽内。也可以在滑板43下端连接一个丝杠螺母，丝杠螺母内旋拧有转动连接在底座1上的距离调节丝杠，旋转距离调节丝杠用来调节滑板43的移动且可以实时定位滑板43。

实施例10，在实施例1的基础上，所述电磁铁3经固定在底座1上的非导磁形支架悬空固定。电磁铁3连接在低频信号发生器上，电磁铁3也可以是设置在有机玻璃罩内，有机玻璃罩面朝金属条2的一端设置一个可以使得金属条2通过的开口即可。

实施例11，一种比较不同金属条2固有频率的方法，其特征在于，1）将金属条2的一端进行夹持，另一端使用激振装置对其进行激振；

2）将金属条2的振动进行单向放大，可以是单向向上放大，也可以是单向向下放大；

3）将放大后的振幅转换为直线运动，进而带动红外笔朝着刻度板进行投射；

4）红外笔最后投射出来的最大刻度即为金属条2的最大振幅，相应的激振装置的频率即为金属条2的固有频率，记录下此时的固有频率；

5）依次将不同截面的金属条2进行上述步骤，对其固有频率进行比较。

以上方法的金属条2为导磁性金属条2，可以是铁质金属长条。以上激振装置可以为电磁铁3，电磁铁3连接低频信号发生器。

在设置多个齿轮的时候，是第一连接齿轮10大于驱动齿轮9。

本发明在使用的时候，低频信号发生器控制输入电磁铁3中的交流电流的频率，由于通电的电磁铁3为条形磁铁，低频信号发生器输出的是交流电流，所以电磁铁3的极性不断发生变化，从而对电磁铁3下方的金属条2一会吸引一会不吸引，产生一个周期性变化的策动力，使得金属条2不断上下抖动，所以通过控制低频信号发生器的频率，可以使得金属条2振动幅度不断变化，当低频信号发生器的频率与金属条2的固有频率相同时，达到共振，此时金属长条的振动幅度最大。当金属条2振动时，金属条2向上走时，推动第一杠杆5向上移动，此时第一杠杆5自由端的第一滑轮25在第一弧形导槽26内沿圆弧向上移动，第一杠杆5的向上移动放大到第二杠杆6上，第二杠杆6在第一杠杆5的带动下向上移动，此时第二杠杆6的自由端的第二滑轮29在第二弧形导槽30内沿圆弧向上移动，第二杠杆6的上移动放大到驱动齿条8上，驱动齿条8进行上下移动，驱动齿条8向上移动带动驱动齿轮9转动，驱动齿条8的转动分别放大到第一连接齿轮10和第二连接齿轮41上，第一连接齿轮10和第二连接齿轮41分别带动第一终端齿轮11和第二终端齿轮42转动，当终端齿条12位于第一终齿轮下时，被第一终端齿轮11驱动，当终端齿条12位于第二终端齿轮42下时，被第二终端齿轮42驱动，设置两组不同的连接齿轮和终端齿轮，可以使得当金属条2的最大振幅小时选择传动比较大的组合，当金属条2的最大振幅大时，选择传动比较小的组合，使得观察方便清晰，终端齿轮带动终端齿条12轴向移动时，终端齿条12带动红外笔13也就是激光笔移动，红外笔13将激光点投射到刻度板的刻度上，可以先调整好初始状态，使得红外笔13的激光点投射到刻度的0的位子，刻度板和红外笔13的照射线相垂直，当红外笔13移动时，其激光点也跟随移动，当金属条2达到最大振幅时，激光点投射到刻度上的数值达到最大，记录此时的低频发生器的频率，此频率即为金属条2的固有频率，两组传动比的终端齿轮和对应两组不同的刻度，刻度可以根据整体的传动比进行设置。本发明可以用来对比不同材质和不同截面的金属条2，使用不同的夹具4进行夹持，而最后的最大振幅达到后激光点定位到最大振幅处，使得记录清洗明显，一目了然，对比清晰，可以直观的看出不同材质和截面的金属条2的固有频率的大小和振幅的大小。本发明中，除了金属条2、电磁铁3部分和低频发生器部分外，其余的底座1上的零部件保护底座1均有非导磁性材料制成，如铜和铝，金属条2为导磁性材料制成。本发明中可以根据金属条2的厚度来调整升降板18的高度，以使得金属条2可以正好置于第一杠杆5下侧与第一杠杆5接触。本发明在测试的过程中，由于有棘轮38结构，因此，驱动齿条8只能驱动转轴37单方向旋转，也就是当驱动齿条8向上移动时，才能驱动转轴37旋转，由于驱动齿条8还有第一杠杆5和第二杠杆6具有自重，当其向上移动一定角度后，即具有向下移动趋势，此时由于单向棘轮38棘爪40卡死单向棘轮38，使得单向棘轮38不能反转，而由于第一杠杆5、第二杠杆6、驱动齿条8和转轴37之间是联动的，因此在棘轮38棘爪40的作用下，第一杠杆5、第二杠杆6和驱动齿条8只能向上移动。当测试完成需要复位时，拨起棘爪40，使得棘轮38可以翻转，使得第一杆杆、第二杠杆6和驱动齿条8回位即可。

本发明通过电磁铁对金属条产生的振动，通过夹具夹持金属条，通过第一杠杆和第二杠杆来放大振幅，通过驱动齿条还有一组齿轮来来继续放大振幅且将金属条的振动转化为终端齿条的直线运动，终端齿条在放大多次的振幅的作用下沿直线进行移动，带动激光笔将激光点投射到刻度板上以显示振幅的大小，激光点只能单向移动，当金属条达到最大振幅时，激光点静止在最大振幅对应的刻度上，观察直管明显，不用再用人眼去迅速的捕捉，且有利于不同材质和不同截面的金属条的固有频率的对比，实用性强。