CN102622929B

CN102622929B - 多功能简谐振动演示仪

Info

Publication number: CN102622929B
Application number: CN201210064736.6A
Authority: CN
Inventors: 代伟; 徐平川; 谢春茂; 秦锐敏; 李正军
Original assignee: China West Normal University
Current assignee: China West Normal University
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-03-13
Also published as: CN102622929A

Abstract

本发明公开了一种多功能简谐振动演示仪，所述的演示仪设有水平底座（1），底座上固定一侧向立柱（2），立柱上端安装有垂直方向或水平方向的简谐振动装置或立柱中间位置安装一微型电机（3），及其上安装的曲拐（4），构成匀速圆周运动参考圆上的动点所演示的简谐振动，或在水平面底座的正后面安放一发光二极管显示屏（8），模拟简谐振动图像及其生成过程。本装置能同时或分别演示垂直方向或水平方向的简谐振动，还能演示匀速圆周运动参考圆上的动点简谐振动，以及通过纸张记录简谐振动过程，并通过电子屏形象展示振动的图像及其生成过程，达到良好的教学效果。

Description

多功能简谐振动演示仪

技术领域

本发明一般涉及一种物理演示实验装置，特别是一种演示简谐振动振动过程、振动图像及其振动曲线合成过程的多功能简谐振动演示仪。

背景技术

在物理演示实验装置中，尤其是力学实验装置中，经常要演示物体作简谐振动的振动过程和振动曲线。简谐振动作为最基本的振动,许多实际的周期振动虽然不是简谐振动却可以看作多个简谐振动合成的结果。因此，熟悉简谐振动的规律，研究简谐振动的合成对理解机械振动、光波和声波的干涉和衍射等现象都有着重要意义。演示物体作简谐振动的演示仪器较多，其中最为常见的简谐振动演示仪器便是沙摆。而现有的沙摆等简谐振动演示仪存在很多不足:①实验结果不准确。如单线摆易形成圆锥摆；在沙粒下落的过程中,沙桶重心同时下降,使摆长变长；手拉动硬纸板不能保证其匀速前行②实验可视度小。沙粒形成的轨迹易散开,使图形模糊不清；沙粒形成的图像不能作为教学挂图竖起。③实验器材零散,不利于教学来回搬动。④实验不具有拓展性,不具备一物多用,节约资金的优点。作为演示实验仪器应具备:实验装置简单、方便、易于操作；实验结果准确；现象明显可视度大；实验具有拓展性、能启迪学生、引导学生、纠正困惑,扩展学生视野。而目前还没有一台简谐振动演示仪器能达到以上要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种克服公知技术缺点，能演示和合成多种情况下的简谐振动过程，可操作性强，演示效果好的多功能简谐振动演示仪。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：所述的演示仪设有水平底座，底座上固定一侧向立柱，立柱上端安装有垂直方向和水平方向的简谐振动装置和立柱中间位置安装一微型电机，及其上安装的曲拐，构成匀速圆周运动参考圆上的动点所演示的简谐振动，和在水平面底座的正后面安放一发光二极管显示屏，模拟简谐振动图像及其生成过程。

采用上述方案，可使本装置能同时或分别演示垂直方向或水平方向的简谐振动，还能演示匀速圆周运动参考圆上的动点简谐振动，以及通过纸张记录简谐振动过程，并通过电子屏形象展示振动的图像及其生成过程，达到良好的教学效果，从而实现了本发明的目的。

下面结合图示及实施例对方案作更详细的说明。

附图说明

图1为多功能简谐振动演示仪的立体图；

图2为图1中垂直方向上的简谐振动装置；

图3为图1中气垫式水平弹簧振子；

图4为图1中匀速圆周运动参考圆上的动点演示简谐振动装置；

图5为图4中运动装置轨迹图；

图6为二极管模拟演示简谐振动电原理图；

图7为图6中谐振装置图像。

具体实施方式

图1为所述的多功能简谐振动演示仪，有一底座1，底座1内装有5V稳压电源、静音气泵、描迹纸走纸电机和走纸滚轮。底座上侧向安装的竖直立柱2上安装垂直方向及水平方向的简谐振动装置，立柱2中央位置安装有微型电机3，微型电机轴上套装有曲柄4，曲拐端部装有描迹球5，配合该装置，底座上方立柱右侧安装旋转投影灯箱6，灯箱的正前方安装一块白色的有机玻璃投影屏7，在演示仪立柱左侧和底座上面正后方区域安装简谐振动发光二极管显示屏8，各种控制开关安装在底座正面。

演示垂直方向上的简谐振动

演示垂直方向上的简谐振动装置，包括在立柱上端固定一伸出的支杆9，支杆上悬挂一根弹簧10，弹簧未端吊有重物球11，重物球与一个可移动的磁性重物平衡位置指示装置12配合。所述平衡位置指示装置可观察重物球在平衡位置上下所作的简谐振动，平衡位置指示装置的底座13为磁性原件，移动方便很容易放置在平衡位置上，较详细的结构如图2所示。

演示水平方向上的简谐振动

演示水平方向上的简谐振动装置，包括在立柱上端设有一角形气动导轨14，所述导轨与一个气泵相接，导轨上配合一滑块15，滑块上设有指针16，滑块两端各连有一根轻质弹簧17，弹簧的另一端与立柱固定，使用时打开气泵开关开启静音气泵18，释放滑块便可演示物体在水平方向上所作的简谐振动，指针16为平衡指针，与刻度尺配合可明显地观察物体在平衡位置左右所作的简谐振动，如图3所示。

通过投影匀速圆周运动参考圆上的动点演示简谐振动

一般学生对简谐振动的运动学特征易于理解，但对匀角速旋转矢量的矢端在轴上的投影作简谐振动往往迷惑不解，通过投影匀速圆周运动参考圆上的动点演示简谐振动装置较好地帮助学生解决了这一难题。所述装置包括在立柱中间位置安装一微型电机3，电机轴穿过立柱2的壁后在其轴端固定一曲拐4，曲拐端部固定一描迹球5，在底座上设有与微型电机配套的水平走纸装置19，及竖直方向上的投影装置。我们知道简谐振动的动力学特征为

，其运动学方程为，式中

Figure 2012100647366100002DEST_PATH_IMAGE003

,

为特定常数，

Figure 2012100647366100002DEST_PATH_IMAGE005

为角速度。以初相位

、角速度

匀速旋转的矢量

Figure 2012100647366100002DEST_PATH_IMAGE007

,其矢量端点作匀速圆周运动，该圆称为参考圆，矢量的端点在轴上投影的运动方程与简谐振动的运动学方程完全一致，矢量图如图5所示。在参考圆上作匀速圆周运动的动点，其投影作的是简谐振动。打开电机控制开关，固定在电机轴上的曲柄4机构便作匀速圆周运动，安装在曲柄上的描迹球5作为矢量端点，当水平投影光线从灯箱6打过来后，描迹球5透过设在后面的灯光在投影显示屏7上的投影是简谐振动。另外，如一边匀速旋转曲柄机构，一边开启走纸装置让描迹纸匀速向左移动，通过描迹球5下的滴管向描迹纸上滴墨，在描迹纸上将两个同方向的简谐振动进行合成，这样就可在描迹纸上得到合成的简谐振动图像，改变走纸速度和曲柄转速合成的简谐振动图像也随之改变，描出的振动曲线可取下展示给学生看，演示效果好。

发光二极管显示屏模拟演示简谐振动的图像及其生成过程

一种发光二极管模拟简谐振动模拟的装置，包括发光二极管显示屏8，屏内安装有一组单色和双色发光二极管，所述二极管与一个电子线路相接，所述电路包括一块单片机CPU20，其数据输入端21与一组键盘输入信号相连，数据输出端22与一组往复模拟运动发光二极管阵23相连，其控制端24分别与一组圆周运动驱动芯片25，一个第一正弦波驱动芯片26，一个第二正弦波驱动芯片27的控制端相连，所述圆周运动驱动芯片的输出端与一组模拟圆周运动的发光二极管阵列28相连，正弦波驱动芯片26、27的输出端与一组模拟正弦波的发光二极管阵列29相连。

具体的线路图如图6所示，主要元件CPU20是型号为80C52，MC74C595ADR2单片机，所述的圆周运动驱动芯片25由4—16译码器组成，两个正弦波驱动电路分别由两片串入并出移位寄存器芯片组成，通过发光二极管显示屏，用单色和双色发光二极管模拟演示简谐振动的图像及其生成过程具有以下特点：（1）能同时演示物体振动过程、参考圆及其振动图像3条曲线，演示图像如图1中显示屏8中的图像所示。（2）可演示物体振动周期的改变，快振和慢振自动切换。既能模拟谐振子连续的快速振动，形成完整的视觉图像，又能模拟慢速振动，以反映从谐振子振动到参考圆映射而形成简谐振动图像的过程。（3）性价比高，演示操作方便，物理内涵丰富；演示面板如图7所示。LED阵列P、Y、Q按标号卡在相应的点位上，分别模拟简谐振子振动轨迹、参考圆及其简谐振动图像。LED的P1—P7与P8—P13为两种颜色的二极管，用以模拟来回振动的两个过程；Y1—Y12为一种颜色的二极管，而Y13为另一种颜色的二极管，模拟参考圆；Q1—Y13为一种颜色的二极管，以模拟经参考圆映射得到的振动图像。振动轨迹、参考圆、振动图像的驱动顺序是从1点至2点最后至13点，从而完成一次完整的振动过程。振动图像的函数关系为：

。

本装置制作经济，演示过程直观，易于理解抽象的物理公式所代表的内涵，从而对理论和实践融合贯通，较好地完成教学的目的。

Claims

1.一种多功能简谐振动演示仪，其特征在于：所述的演示仪设有水平底座（1），底座上固定一侧向立柱（2），立柱上端安装有垂直方向和水平方向的简谐振动装置，和在立柱中间位置安装一微型电机（3），构成匀速圆周运动参考圆上的动点所演示的简谐振动，和在水平面底座的正后面安放一发光二极管显示屏（8），模拟简谐振动图像及其生成过程，所述的垂直方向上的简谐振动装置，包括在立柱上端固定一伸出的支杆（9），支杆上悬挂一根弹簧（10），弹簧未端吊有重物球（11），重物球与一个可移动的磁性重物平衡位置指示装置（12）配合，水平方向上的简谐振动装置，包括在立柱上端设有一角形气动导轨（14），所述导轨与一个气泵相接，导轨上配合一滑块（15），滑块上设有指针（16），滑块两端各连有一根轻质弹簧（17），弹簧的另一端与立柱固定，匀速圆周运动参考圆上的动点演示简谐振动装置包括在立柱中间位置安装一微型电机（3），电机轴穿过立柱（2）的壁后在其轴端固定一曲拐（4），曲拐端部固定一描迹球（5），在底座上设有与微型电机配套的水平走纸装置（19），及竖直方向上的投影装置。

2.根据权利要求1所述的一种多功能简谐振动演示仪，其特征在于：一种发光二极管模拟简谐振动模拟的装置，包括发光二极管显示屏（8），屏内安装有一组单色和双色发光二极管。

3.根据权利要求2所述的一种多功能简谐振动演示仪，其特征在于：所述二极管与一个电子线路相接，所述电路包括一块单片机CPU（20），其数据输入端（21）与一组键盘输入信号相连，数据输出端（22）与一组往复模拟运动发光二极管阵（23）相连，其控制端（24）分别与一组圆周运动驱动芯片（25），一个第一正弦波驱动芯片（26），一个第二正弦波驱动芯片（27）的控制端相连，所述圆周运动驱动芯片的输出端与一组模拟圆周运动的发光二极管阵（28）相连，正弦波驱动芯片（26、27）的输出端与一组模拟正弦波的发光二极管阵（29）相连。

4.根据权利要求3所述的一种多功能简谐振动演示仪，其特征在于：CPU（20）是型号为80C52，MC74C595ADR2单片机，所述的圆周运动驱动芯片（25）由4－16译码器组成。