CN104019737B - 利用数字示波器测量玻耳共振位相差的方法 - Google Patents

Abstract

利用数字示波器测量玻耳共振位相差的方法涉及物理实验参数测量领域。本发明提出一种替代频闪法测量玻耳共振位相差的方法。技术方案是：在摆轮和摇杆上各固定一个碰触爪，碰触爪为“7”字形；摆轮和摇杆的上方分别悬挂软导电线；摆轮摆动到碰触爪接触软导电线，使电路连接到电源，在开路端输出一个脉冲电压，将摆轮和摇杆上端因接通而产生的开路电压分别连接到双踪数字示波器的X和Y输入端口；通过数字示波器的时间测量工具，取其中一输入信号，在示波器显示屏上测量出振动的周期T，再测量两个信号的高电平之间的时间间隔△T，在△T<T/2时，位相差为360 ^o *△T/T。有益效果是：避免大电流仪器的电子线路的工作状态的影响；对现有技术进行了拓展。

Description

利用数字示波器测量玻耳共振位相差的方法

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，即利用双踪数字示波器测量玻耳共振位相差的方法，是频闪法测量位相差的一种替代测量方法。

本发明实现发明目的采用的技术方案是：利用数字示波器测量玻耳共振位相差的方法，其特征是：利用玻耳共振仪的摆轮和摇杆为金属材质、能够导电；在摆轮和摇杆上各固定一个碰触爪，碰触爪为“7”字形；摆轮和摇杆的上方分别悬挂一根或一排等长度的软导电线，在装置处于静止的初始状态，“7”字形的碰触爪的横边分别刚好接触各自对应的软导电线；摆轮摆动到碰触爪接触软导电线，使电路连接到电源E，在开路端Y输出一个脉冲电压，将该电压连接到双踪数字示波器的一个输入端口；摇杆摆动到碰触爪接触到另外一根软导电线，使电路连接到电源E，在开路端X输出一个脉冲电压，将该电压连接到双踪数字示波器的另外一个输入端口；将双踪数字示波器设置在两路输入的工作模式，在玻耳共振受迫振动处于稳定的共振时，按下测量开始，在双踪数字示波器显示屏显示出一个周期图像，也就是双踪数字示波器的一个输入端至少有三个高电平，按下停止测量；通过双踪数字示波器的时间测量工具，取其中一输入信号，在双踪数字示波器显示屏上测量出振动的周期T，再测量两个信号的高电平之间的时间间隔△T，在△T<T/2时，位相差为360 ^o *△T/T；在△T>T/2时，位相差为360 ^o *(T-△T)/T。

本发明的有益效果是：不使用闪光灯，避免了大电流对实验仪器的电子线路的工作状态的影响，促使仪器显示正常；本发明提出一种替代频闪法测量位相差的方法，是对现有技术的一种拓展，是对现有技术的丰富，有利于拓展学生的思维能力。

附图说明

图1是现有技术的玻耳共振仪装置；图2是本发明在现有技术仪器的基础上改进部分部件的示意图。

具体实施方式

利用数字示波器测量玻耳共振位相差的方法，其步骤是：

第一步：利用玻耳共振仪的摆轮和摇杆为金属材质、能够导电；在摆轮和摇杆上各固定一个碰触爪，碰触爪为“7”字形；摆轮和摇杆的上方分别悬挂一根软导电线，在装置处于静止的初始状态，“7”字形的碰触爪的横边分别刚好接触各自对应的软导电线；摆轮摆动到碰触爪接触软导电线，使电路连接到电源E，在开路端Y输出一个脉冲电压，将该电压连接到双踪数字示波器的一个输入端口；摇杆摆动到碰触爪接触到另外一根软导电线，使电路连接到电源E，在开路端X输出一个脉冲电压，将该电压连接到双踪数字示波器的另外一个输入端口；

需要进一步说明的是：软导电线优选是一排平行于“7”字形碰触爪横边的铜质细金属丝，铜质细金属丝的下端刚好接触“7”字形碰触爪横边，接触保证能够导电，刚好接触保证时间比较短暂，技术参数“刚好”表现在“7”字形碰触爪横边的下部边缘与软导电线的底部等高，换句话说，“7”字形碰触爪横边的底部边缘与软导电线的底端处于一个水平面。

第二步：将双踪数字示波器设置在两路输入的工作模式，在玻耳共振受迫振动处于稳定的共振时，按下测量开始，在双踪数字示波器显示屏显示出一个周期图像，也就是双踪数字示波器的一个输入端至少有三个高电平，按下停止测量；

第三步：通过双踪数字示波器的时间测量工具，取其中一输入信号，在双踪数字示波器显示屏上测量出振动的周期T，再测量两个信号的高电平之间的时间间隔△T，在△T<T/2时，位相差为360 ^o *△T/T；在△T>T/2时，位相差为360 ^o *(T-△T)/T。

Claims (1)

1.利用数字示波器测量玻耳共振位相差的方法，其特征是：利用玻耳共振仪的摆轮和摇杆为金属材质、能够导电；在摆轮和摇杆上各固定一个碰触爪，碰触爪为“7”字形；摆轮和摇杆的上方分别悬挂一根或一排等长度的软导电线，在装置处于静止的初始状态，“7”字形的碰触爪的横边分别刚好接触各自对应的软导电线；摆轮摆动到碰触爪接触软导电线，使电路连接到电源E，在开路端Y输出一个脉冲电压，将该电压连接到双踪数字示波器的一个输入端口；摇杆摆动到碰触爪接触到另外一根软导电线，使电路连接到电源E，在开路端X输出一个脉冲电压，将该电压连接到双踪数字示波器的另外一个输入端口；将双踪数字示波器设置在两路输入的工作模式，在玻耳共振受迫振动处于稳定的共振时，按下测量开始，在双踪数字示波器显示屏显示出一个周期图像，也就是双踪数字示波器的一个输入端至少有三个高电平，按下停止测量；通过双踪数字示波器的时间测量工具，取其中一输入信号，在双踪数字示波器显示屏上测量出振动的周期T，再测量两个信号的高电平之间的时间间隔△T，在△T<T/2时，位相差为360 ^o *△T/T；在△T>T/2时，位相差为360 ^o *(T-△T)/T。