[实用新型]阻尼、受迫振动实验仪

说明书

本实用新型属于高等学校学生物理实验的教学仪器。

阻尼、受迫振动是高等学校学生物理实验的重要选题之一。由于可供选择的仪器甚少，多年来一直使用扭摆式共振仪，详见《普通物理实验(一、力学、热学部分)》，杨述武主编，高等教育出版社，1982年。它的构造主要是一铜环摆轮与盘形螺旋弹簧内端相连，并可绕铅直轴左右摆动，弹簧的外端通过杠杆把力矩传到扭摆上。杠杆同时通过连杆接偏心轮。偏心轮的转速由电机的调速机构进行调节。阻尼的大小由改变电磁铁电流控制。为测量外加强迫力矩和受迫振动二者的位相差，在环形标尺的零点下方设置了光电触发器，当指针通过零点时，由光电触发器产生一高压脉冲，使摆轮指针尖端在环形标尺上产生一放电火花，由火花的位置及相应的幅值可计算出值。其构造比较繁琐，而且需用高压电源，学生做实验时要特别小心。

本实用新型的目的就是设计一种实用的阻尼、受迫振动实验仪，在保留扭摆结构的基础上，对阻尼调节、电动机选择、调速电路以及整个控制电路等方面均作了实质性的改进，还增加了与通用数字计时仪器的接口电路，可方便地与常用数字计时仪器联接。本阻尼、受迫振动实验仪与传统的扭摆式共振仪相比，具有操作方便、测量速度快、重量轻、耗电省、性能稳定等优点，同时撤去了高压电源，学生实验更安全可靠，测量的速度和精确度都大大提高。

本实用新型的目的是这样实现的，由摆盘、策动装置、阻尼调节装置、光电信号输出接口以及相应的电路组成的阻尼、受迫振动实验仪，策动装置是由高质量的录音机用电动机配合LA5511或类似的调速稳速电路及减速装置组成，阻尼调节装置则采用强磁钢配合螺纹进退调节。在刻度盘零点上下各安装一挡光式红外光电耦合器，通过电路输出摆盘指针过零与策动杆过零的电脉冲信号，并可与通用数字计时仪器相联接，测量周期及位相差。刻度盘上每10度装有一发光二极管，通过相应的开关可在策动杆过零点时瞬间发光，用以测量位相差。据我们调查研究，尚未见到国内外有类似设计方案的同类仪器。

下面结合附图对该阻尼、受迫振动实验仪作详细说明。图1为仪器整体示意图，图2为阻尼调节结构示意图，图3为整机电路图。图1、2中，A为摆盘，通过盘香状弹簧B与策动杆C联接，策动杆C不动时，摆盘A可绕轴作自由振动，振动幅角可通过指针D与度盘E读出。转盘F由直流电动机M(见图3)通过减速装置带动。电动机转动时，转盘F随之转动，带动联杆G与策动杆C，并通过盘香状弹簧B向摆盘A施加一周期性策动力，使摆盘A作受迫振动。调节阻尼调节手轮I，通过螺杆可改变稀土合金强磁体H与摆盘A的距离，从而调节摆盘振动的阻尼度。间隙J处放置一压缩弹簧(未画出)，以消除阻尼调节时螺杆与螺母间隙引起的回程差。

图3中的Q₁，Q₂为两只挡光式光电耦合器。分别置于刻度盘E零点的上、下方，当指针D过零点时，Q₁发出脉冲信号，当策动杆C过零点时，Q₂发出脉冲信号。K₂合向1，K₃合向2时，Q₁的脉冲信号经IC₁整形后，经过IC₃、IC₄及两只晶体管T₂、T₃通过J₁输出给数字计时仪器(如VAFN多用数字测试仪)，可方便地测量摆盘A的振动周期T。同样当K₂合向1，K₃合向1时，可方便地测量策动力的周期。当K₂合向2时，通过J₁的计时仪器读出的是策动杆C与摆盘指针D过零点的时间差Δt，由此可算出策动力与摆盘振动的位相差或。Dn为32只发光二极管，16只一组串联，再两组并联，安装于刻度盘E上，每隔10度装1只，零(度)点及180度两点不装，当K₃合向2，K₄合上时，策动杆C过零点，Dn即发出短暂闪光，实验者可根据闪光瞬间摆盘指针D所处的角度/Δθ，与摆盘振幅θ算出策动力与摆盘振动的位相差。直流电动机M采用录音机专用的小型电动机，再配用LA5511或类似的调速稳速电路及减速装置，可方便地调节电动机转速，减速比为1∶30至1∶50，从而控制策动力的周期。

图3所示的电路安装于图1右边的控制箱K内，面板上安装电源开关、保险丝盒、电动机调速旋钮、电表、开关及光电信号输出插口等，可方便地对仪器进行控制与调节。

根据以上说明可知，配合秒表或光电计时仪器，可完成以下几个内容的物理实验。