[发明专利]激光扫描式振动综合演示仪

说明书

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。为实现上述目的本发明采用下述技术方案：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。