CN104021711A - 利用光电门测量玻耳共振位相差的方法 - Google Patents

Abstract

利用光电门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：在玻耳共振仪的摇杆顶部固定一块摇杆挡光片，摆轮上端固定一块摆轮挡光片，摆轮挡光片和摇杆挡光片都能够在摆动过程中经过间隔光电门，使间隔光电门启动计时或者停止计时；摆轮挡光片或者摇杆挡光片的其中一块挡光片在摆动过程中经过周期光电门；受迫振动稳定后，通过间隔光电门测量摆轮挡光片和摇杆挡光片到达同一位置的时间差△T，利用周期光电门测量摆动周期T，位相差为360^o*△T/T。有益效果是：不使用闪光灯，避免大电流影响电子线路的工作状态；提出一种替代频闪法测量位相差的方法，是对现有技术的丰富。

Description

利用光电门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，即利用光电门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：利用光电门测量玻耳共振位相差的方法，其特征是：在玻耳共振仪的摇杆顶部固定一块摇杆挡光片，在玻耳共振仪的摆轮上端固定一块摆轮挡光片，摇杆挡光片和摆轮挡光片的宽度相等、顶部等高（顶部平齐）；摆轮挡光片采用铁质材料，一块磁铁块和摆轮挡光片分别位于摆轮的两侧，利用铁质材料和磁铁块相互吸引的方式固定，以便于移动；在一个支架上固定一个测量时间间隔的间隔光电门，调节间隔光电门和摆轮挡光片的位置，使摇杆挡光片的水平方向的中心、摆轮挡光片水平方向的中心以及间隔光电门的发光二极管和接收二极管在一条直线上，使摆轮挡光片和摇杆挡光片都能够在摆动过程中经过间隔光电门，使间隔光电门启动计时或者停止计时；再固定一个周期光电门，摆轮挡光片或者摇杆挡光片的其中一块挡光片在摆动过程中经过周期光电门；受迫振动稳定后，通过间隔光电门测量摆轮挡光片和摇杆挡光片到达同一位置的时间差△T，利用周期光电门测量摆轮摆动周期或者摇杆的摆动周期T，受迫振动稳定后，摆轮摆动周期和摇杆的摆动周期是相等的，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

利用光电门测量玻耳共振位相差的方法，步骤是：

第一步、在玻耳共振仪的摇杆顶部固定一块摇杆挡光片，在玻耳共振仪的摆轮上端固定一块摆轮挡光片，摇杆挡光片和摆轮挡光片的宽度相等、顶部等高（顶部平齐），这样在遮挡光电门的光线时才具备一种对等性；摆轮挡光片采用铁质材料，一块磁铁块和摆轮挡光片分别位于摆轮的两侧，利用铁质材料和磁铁块相互吸引的方式固定，这样便于移动摆轮挡光片的位置。

第二步：在一个支架上固定一个测量时间间隔的间隔光电门，调节间隔光电门和摆轮挡光片的位置，使摇杆挡光片的水平方向的中心、摆轮挡光片水平方向的中心以及间隔光电门的发光二极管和接收二极管在一条直线上，使摆轮挡光片和摇杆挡光片都能够在摆动过程中经过间隔光电门，使其启动计时或者停止计时；

使摆轮挡光片和摇杆挡光片都能够在摆动过程中经过间隔光电门，使间隔光电门启动计时或者停止计时，设计的目的是：通过间隔光电门测量摆轮挡光片和摇杆挡光片到达同一位置的时间差△T；当然位相差存在先和后的问题，即位相差存在正负，由于玻耳共振实验中的周期在1.5秒左右，一般在1.3-1.7秒，眼睛就能够观察在摆轮和摇杆通过间隔光电门的先后次序，所以位相差的正负关系可以通过直观获得；还存在另外的问题就是，挡光片挡住光线开始计时或者停止计时，这是一种开关操作，建立稳定的共振（受迫振动）需要一定的时间，光电门打开的时机也存在随意性，必然产生意外，从理论上将，位相差为-pi到pi之间，时间间隔在半个周期（T/2）之内，如果间隔光电门的启动和关闭与理想刚好相反，则测量的时间间隔大于半个周期（T/2），此时，应该用周期减去该测量的时间；

上面的调节步骤是从测量精度和物理逻辑的角度考虑的结果，要求比较严密，调节有一定的难度，可以进行适当的简化，简化过程如下：只需要摇杆挡光片的水平方向的中心、摆轮挡光片水平方向的中心的连线平行于间隔光电门的光线，由于摇杆挡光片和摆轮挡光片的宽度相等，因此，在摇杆挡光片和摆轮挡光片平行时（由于摇杆和摆轮是平行的，只需要紧贴摇杆布置摇杆挡光片和紧贴摆轮布置摆轮挡光片即可），其左侧或者右侧侧边所决定的平面平行于间隔光电门的光线即可，间隔光电门的发光二极管和接收二极管对一般都位于对称中心，这在产品工艺上也很容易实现，因此，在调节的时候可以简化为：在间隔光电门的侧面接触一个平板的一侧、平板的另一侧同时接触摇杆挡光片和摆轮挡光片的同一侧边，则就满足前面的调节要求。

第三步：再固定一个周期光电门，摆轮挡光片或者摇杆挡光片的其中一块挡光片在摆动过程中经过周期光电门，通过周期光电门测量摆轮或者摇杆的摆动周期。

第四步：受迫振动稳定后，通过间隔光电门测量摆轮和摇杆到达同一位置的时间差△T，利用周期光电门测量摆轮摆动周期或者摇杆的摆动周期T，受迫振动稳定后，摆轮摆动周期和摇杆的摆动周期是相等的，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.利用光电门测量玻耳共振位相差的方法，其特征是：在玻耳共振仪的摇杆顶部固定一块摇杆挡光片，在玻耳共振仪的摆轮上端固定一块摆轮挡光片，摇杆挡光片和摆轮挡光片的宽度相等、顶部等高；摆轮挡光片采用铁质材料，一块磁铁块和摆轮挡光片分别位于摆轮的两侧，利用铁质材料和磁铁块相互吸引的方式固定，以便于移动；在一个支架上固定一个测量时间间隔的间隔光电门，调节间隔光电门和摆轮挡光片的位置，使摇杆挡光片的水平方向的中心、摆轮挡光片水平方向的中心以及间隔光电门的发光二极管和接收二极管在一条直线上，使摆轮挡光片和摇杆挡光片都能够在摆动过程中经过间隔光电门，使间隔光电门启动计时或者停止计时；再固定一个周期光电门，摆轮挡光片或者摇杆挡光片的其中一块挡光片在摆动过程中经过周期光电门；受迫振动稳定后，通过间隔光电门测量摆轮挡光片和摇杆挡光片到达同一位置的时间差△T，利用周期光电门测量摆轮摆动周期或者摇杆的摆动周期T，受迫振动稳定后，摆轮摆动周期和摇杆的摆动周期是相等的，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。