[发明专利]利用连续照相或摄像测量玻耳共振位相差及数据修正方法

说明书

技术领域

本发明涉及物理实验参数测量领域，特别是玻耳共振仪在受迫振动时外力与摆轮的位相差的测量。

背景技术

在大学物理实验室，玻耳共振仪一般采用频闪法测量外力与摆轮的位相差，实验装置如图1。

装置结构：角度盘固定在电机的外侧，角度盘没有与电机的转轴连接，处于静止状态，也就是不随着电机转轴转动，角度盘与电机转轴有共同的圆心，角度盘的上半圆有刻度，最小刻度为1度；角度盘的外侧为角度指针盘，角度指针盘为一个塑料圆盘，角度指针盘固定在电机的转轴上，角度指针盘随着电机转轴转动，角度指针盘与电机转轴有共同的圆心，角度指针盘的一条直径的两个末端有荧光物质组成的细线，角度指针盘边缘有一个缺口用于光电门测量电机转动的周期；电机转轴的偏心位置固定一个圆柱、连杆一端的圆柱形通孔套入到该圆柱，并通过螺纹、螺帽固定，螺帽的帽檐阻止连杆脱离该圆柱，连杆的另一端连接到摇杆下端，摇杆中部固定（摇杆绕该固定点旋转）在一个三角形支架上，摇杆的上端向摆轮方向弯折90度形成摇杆水平部分，摇杆水平部分的末端固定涡卷弹簧的末端，涡卷弹簧的另一端端固定在摆轮的转轴外侧，摇杆顶部有一个靠近摆轮的尖状指针；摇杆和摆轮分别通过各自的圆筒套入在一个共同的固定轴的两侧，也就是说，摇杆和摆轮具有共同的转动中心，摇杆尖状指针摆动形成的圆弧和摆轮边缘圆弧的中心法线（面中心的垂线）是相同的，摆轮通过摩擦固定在转轴上（也就是说能够松开螺钉、旋转调节摆轮长凹槽的位置，然后再固定）；摆轮底部位于阻尼线圈铁心的缝隙处，通电阻尼线圈产生的磁场在铜质摆轮中形成的涡流作为运动阻力，因为通电阻尼线圈的电流不同，运动阻力一般分成三个档位。

振幅和周期的实验原理是：铜质摆轮的圆周上有凹槽，间隔2度，其中一个凹槽相对与其它凹槽更深，命名为长凹槽，剩余的凹槽命名为短凹槽；相应的光电门装置中集成了两组光电门，对应地有发光二极管和接受二极管两对，一对位于上端，测量摆轮的振幅，其间隔为2度，也就是误差在1度（一般取间隔的一半作为摆轮振幅的系统误差）；位于下端的长凹槽对应的一对二极管用于测量摆轮的周期。

受迫振动原理：电机旋转，电机通过连杆带动摇杆摆动，摇杆带动连接的涡卷弹簧移动，涡卷弹簧将力量传递给摆轮转轴，使摆轮发生受迫振动，当涡卷弹簧对摆轮做功等于摆轮阻尼损失的能量，则达到稳定的受迫振动：振幅和摆动周期稳定。

位相差测量原理：在电机外固定的角度盘静止，角度指针盘随着电机转轴转动，角度盘、角度指针盘与电机转轴有共同的圆心（面中心的法线相同），角度指针盘的一条直径的两个末端有荧光物质组成的细线作为读数参考线，在装置处于初始位置（静止时），使角度指针盘标注的直径处于角度盘的0度、通过调节涡卷弹簧或者铜质摆轮使长凹槽对准摇杆的顶部、移动光电门装置对准长凹槽；在受迫振动处于稳定状态时候，按下闪光灯的电源开关，当长凹槽通过光电门时，触发闪光灯闪光一次，也就是一个周期闪2次，闪光灯照射到随着电机转轴转动的角度指针盘，带荧光的指针的闪亮荧光指向的角度盘位置读出的角度就是位相差。角度盘的最小刻度为1度（误差为0.5度），摆轮凹槽的间隔为2度（误差为1度），因此，系统误差为1.5度，大多数的说法是在2度之内。

由于闪光灯是大电流，闪光灯在使用的时候导致实验仪器的内部分压出现不足，使得测量仪器电子线路工作状态可能发生异常，曾经在实验中发现显示的周期数据出现异常变化，通常是闪光时发生大幅度减少，导致许多学生发出疑问：位相差数据准确吗。

发明内容

为避免闪光灯大电流对仪器电子线路工作状态的影响，本发明提出一种不使用闪光灯的位相差测量方法，即利用连续照相或者摄像测量玻耳共振位相差及数据修正方法，是频闪法测量位相差的一种替代测量方法。