CN201285611Y - 一种纵波演示仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种纵波演示仪，由底座、支架、手柄、转子、振子、横杆及转轴组成。所述振子有多个，每个振子的中部为一方形框，上部固定一小球，下框前后两面固定有两个小圆柱；所述转子上有多个固定的大小相等的闭合凸棱，凸棱的个数与振子数相等；所述转轴固定在转子的大圆柱两端中心处，且与大圆柱的端面垂直；所述支架有两个，在转轴穿过其对称位置后，将两支架固定于底座上，转子可通过转轴在两支架间转动。所述横杆为长方条状，所有振子都穿在横杆上，让转子的凸棱一一对应穿过振子的两小圆柱之间，把横杆的两端固定在两支架上；所述手柄与转子两端的转轴固定连接，转动手柄可带动转子转动，从而带动振子振动。该纵波演示仪能对纵波中各时刻的质点振动和波形传播进行演示观察、分析和任意时刻的定格分析。

Description

一种纵波演示仪

技术领域：

本实用新型涉及教学仪器，特别是物理学中的一种纵波演示仪。

背景技术：

纵波是物理学中机械波的一种形式，机械振动在介质中的传播产生机械波。介质中质点的振动方向与波的传播方向平行的波，称为纵波。在高中物理中，纵波是一个难点内容，教学中需要借助演示实验开展教学活动。当前，教学中对纵波的演示主要是利用轻质弹簧进行演示。如图1所示，1为矩形框架、2为细绳、3为轻质弹簧、4为弹簧片，把轻质弹簧的一端固定在矩形框架的一侧，用细线把轻质弹簧吊在矩形框架顶部，轻质弹簧的另一端固定在弹簧片上，弹簧片的下端固定，用手把弹簧片的上端向右或左拉动一小段距离，松手后，弹簧片左右振动，从而带动轻质弹簧震动，轻质弹簧上出现纵波图形。显然，上述演示装置，对纵波的演示为简易粗略的演示，不能对介质(轻质弹簧)中的振动和波的传播进行慢速的观察和某一时刻进行定格分析，也不能演示出当弹簧片停止振动时，波形继续向前传播的现象。就目前对纵波的演示看，缺乏较理想的纵波演示仪。

在纵波的教学中，对纵波的形成和传播大多会用以下的图形进行分析，帮助教学。如图2所示，其主要分析内容是：在一介质中，选取排列在一直线上有弹性联系的、只能在直线上运动的一列质点(1、2、3、4、……16…)。设t＝0时，质点1(波源)开始向右振动，全部质点都在图示的平衡位置上，如图2、a所示。

四分之一周期(T)后，即t＝T/4时，质点1向右达到最大位移，质点2、3依次投入向右振动，开始振动的信号已传到质点4，质点1到4之间形成一个密部，如图2、b所示。此后，每隔T/4时间的传播情况如图2、c和图2、d所示。

t＝T时，质点1已完成一次全振动，又处于t＝0的振动状态，开始振动的信号已传到质点13，这时质点1到4和10到13之间是密部，这两个密部之间夹着一个疏部4到10，如图3、e所示。此后质点1重复上述振动，质点之间疏密相间发生，振动继续向右传播；当质点1停止振动，其它质点依次停止振动，振动形式(波形)继续传播。

发明的内容：

本实用新型的目的是提供一种纵波演示仪，该纵波演示仪能对纵波中各时刻的质点振动和波形传播进行演示观察、分析和任意时刻的定格分析，以及演示出当波源(如图2中的质点1)停止振动时，其它质点依次停止振动，振动形式(波形)继续传播的现象。

本实用新型的目的是通过如下技术方案解决，一种纵波演示仪由底座、支架、手柄、转子、振子、横杆及转轴组成，其特征在于：所述振子有多个，每个振子的组成是：振子的中部为一方形框，方形框的上面固定一小球，方形框的下框前后两面各固定一个长度大于方形框的边框宽，且大小相等的小圆柱。所述转子的结构形状为：在一个大圆柱的侧面上有多个大小相等的凸棱，每个凸棱都绕在大圆柱的侧面且成闭合状，每个凸棱均与大圆柱固为一体；凸棱的大小正好穿过上述振子的两个小圆柱之间且形成滑动连接，从而使凸棱能在两小圆柱之间光滑滑动；凸棱的个数与振子的数量相等。

上述一种纵波演示仪，所述转轴固定在转子的大圆柱两端中心处，且与大圆柱的端面垂直，转轴与转子固为一体。

上述一种纵波演示仪，所述转子在其两端转轴穿过两支架对称位置后，将两支架固定于底座上，转子两端的转轴与两支架为转动连接，从而使转子可通过转轴在两支架间转动。

上述一种纵波演示仪，所述横杆为长方条状，其端面大小正好穿过振子的方形框，振子可在横杆上光滑移动。

上述一种纵波演示仪，所述振子都穿在横杆上，让振子上的小球处于横杆的上面，让转子的凸棱一一对应穿过振子的两小圆柱之间，使振子处在转子的正上方，把横杆的两端固定在两支架上。

上述一种纵波演示仪，所述手柄与转子一端的转轴在两支架的外侧固定连接，使手柄与转子构成联动结构，转动手柄可带动转子转动。

上述一种纵波演示仪，所述转子上的凸棱的结构组成是：A：每个凸棱的形状有两部分组成：一部分为圆弧状凸棱，圆弧状凸棱的扇面平行于大圆柱的端面，圆弧状凸棱与大圆柱侧面接触部分的弧长，即圆弧状凸棱的长大于大圆柱的侧面圆周长的二分之一；另一部分为正弦函数曲线状凸棱，正弦函数曲线状凸棱的长度等于半个周期正弦函数曲线长的大于2的正整数倍，并使各凸棱的圆弧状凸棱的两端与其正弦函数曲线状凸棱的两端正好连接，正弦函数曲线状凸棱在大圆柱侧面上对应的弧长小于大圆柱的侧面圆周长的二分之一；B：从大圆柱一端数起的第二个凸棱开始，各凸棱的正弦函数曲线状凸棱的起点相对其前一个凸棱的正弦函数曲线状凸棱的起点，在大圆柱的侧面上沿圆周向同一方向滞后一定的弧长，并且各凸棱的正弦函数曲线状凸棱的起点滞后的弧长的总和，小于一个凸棱的正弦函数曲线状凸棱的起点到终点在大圆柱的侧面上的弧长；C：各凸棱的圆弧状凸棱平行等距；依据上述三点，若从第一个凸棱的正弦函数曲线状凸棱的起点和最后一个凸棱的正弦函数曲线状凸棱的终点分别作一条垂直于大圆柱端面的直线，则两直线中间的一部分大圆柱的侧面内，只有平行等距圆弧状凸棱，可让这个区域在转子开始转动时处于大圆柱的最上方，这样可让振子开始振动时处于平衡位置。

上述一种纵波演示仪，所述振子的数量和正弦函数曲线状凸棱长度的要求是：为了能有好的演示效果，并考虑演示仪的体积不宜过大，振子的数量一般要大于13个，正弦函数曲线状凸棱长度一般为1.5个周期或2个周期正弦函数曲线的长。

本实用新型的特点是：转动手柄带动转子转动，当转子上的圆弧状凸棱通过振子的两小圆柱时，振子在横杆上不运动；当转子上的正弦函数曲线状凸棱通过振子的两小圆柱时，可周期性拨动振子沿横杆左右运动。因转子上的正弦函数曲线状凸棱依次先后通过对应的振子的两小圆柱，所以各振子依次先后投入沿横杆左右运动，观察振子上的小球，可演示出图2所示的振动质点运动形成疏密相间的纵波图象。所以该实用新型可为图2所示的纵波的产生提供一种纵波演示仪，该纵波演示仪能对纵波中各时刻的质点振动和波形传播进行演示观察、分析和任意时刻的定格分析，以及演示出当质点1停止振动时，其它质点依次停止振动，振动形式(波形)继续传播的现象。

下面结合附图对本实用新型加以说明：

附图说明：

图1—用轻质弹簧演示纵波图象

图2—纵波图象的图示分析

图3—纵波演示仪正面正视图

图4—纵波演示仪正面右侧视图

图5—纵波演示仪正面左侧视图

图6—纵波演示仪背面正视图

图7—纵波演示仪背面左侧视图

图8—纵波演示仪背面右侧视图

图9—振子的结构图

图10—转子及其与振子连接的局部结构示意图

图11—纵波演示仪演示的波动实例图

图12—纵波演示仪演示的波动实例图

具体实施方式：

如图3至图10所示，该纵波演示仪，由底座1、支架2、手柄3、转子4、振子5、横杆6及转轴7组成。

所述振子5有多个，每个振子5的组成是：振子5的中部为一方形框5-1，方形框5-1的上面固定一小球5-2，方形框5-1的下框前后两面各固定一个长度大于方形框5-1的边框宽，且大小相等的小圆柱5-3，如图9所示。

所述转子4的结构形状为：在一个大圆柱4-1的侧面上有多个大小相等的凸棱4-2，每个凸棱4-2都绕在大圆柱4-1的侧面且成闭合状，每个凸棱4-2均与大圆柱4-1固为一体；凸棱4-2的大小正好穿过上述振子5的两个小圆柱5-3之间且形成滑动连接(如图10所示)，从而使凸棱4-2在两小圆柱5-3之间能光滑滑动；凸棱4-2的个数与振子5的数量相等。

所述转轴7固定在转子4的大圆柱4-1两端中心处，且与大圆柱4-1的端面垂直，转轴7与转子4固为一体。

所述转子4在其两端转轴7穿过两支架2对称位置后，将两支架2固定于底座1上，转子4两端的转轴7与两支架2为转动连接，从而使转子4可通过转轴7在两支架2间转动。

所述横杆6为长方条状，其端面大小正好穿过振子5的方形框5-1，且与方形框5-1构成滑动连接，从而使振子5可在横杆6上光滑移动。

所述振子5都穿在横杆6上，让振子5上的小球5-2处于横杆6的上面，让转子4的凸棱4-2一一对应穿过振子5的两个小圆柱5-3之间，使振子5处在转子4的正上方，把横杆6的两端固定在两支架2上。

所述手柄3与转子4一端的转轴7在两支架2的外侧固定连接，使手柄3与转子4构成联动结构，转动手柄3可带动转子4转动。

所述转子4上的凸棱4-2的结构组成是：A：每个凸棱4-2的形状有两部分组成：一部分为圆弧状凸棱4-2-1，圆弧状凸棱4-2-1的扇面平行于大圆柱4-1的端面，圆弧状凸棱4-2-1与大圆柱4-1侧面接触部分的弧长，即圆弧状凸棱4-2-1的长大于大圆柱4-1的侧面圆周长的二分之一；另一部分为正弦函数曲线状凸棱4-2-2，正弦函数曲线状凸棱4-2-2的长度等于半个周期正弦函数曲线长的大于2的正整数倍，并使各凸棱4-2的圆弧状凸棱4-2-1的两端与正弦函数曲线状凸棱4-2-2的两端正好连接，正弦函数曲线状凸棱4-2-2在大圆柱4-1侧面上对应的弧长小于大圆柱4-1的侧面圆周长的二分之一。B：从大圆柱4-1一端数起的第二个凸棱4-2开始，各凸棱4-2的正弦函数曲线状凸棱4-2-2的起点相对其前一个凸棱4-2的正弦函数曲线状凸棱4-2-2的起点，在大圆柱4-1的侧面上沿圆周向同一方向滞后一定的弧长，并且各凸棱4-2的正弦函数曲线状凸棱4-2-2的起点滞后的弧长的总和，小于一个凸棱4-2的正弦函数曲线状凸棱4-2-2的起点到终点在大圆柱4-1的侧面上的弧长。C：各凸棱4-2的圆弧状凸棱4-2-1平行等距。依据上述三点，若从第一个凸棱4-2的正弦函数曲线状凸棱4-2-2的起点和最后一个凸棱4-2的正弦函数曲线状凸棱4-2-2的终点分别作一条垂直于大圆柱4-1端面的直线，则两直线中间的一部分大圆柱4-1的侧面内，只有平行等距圆弧状凸棱4-2-1，可让这个区域在转子4开始转动时处于大圆柱4-1的最上方，这样可让振子5开始振动时处于平衡位置。

所述振子5的数量和正弦函数曲线状凸棱4-2-2长度的要求是：为了能有好的演示效果，并考虑演示仪的体积不宜过大，振子5的数量一般要大于13个，本实例中振子5的数量为15个；正弦函数曲线状凸棱4-2-2的长度一般为1.5个周期或2个周期正弦函数曲线的长，本实例中正弦函数曲线状凸棱4-2-2的长度为1.5个周期正弦函数曲线的长。

本实用新型的操作演示是：在开始演示时，让大圆柱4-1上只有圆弧状凸棱4-2-1的区域处于大圆柱4-1正上方，以使各振子5开始振动时均处于平衡位置。此后，转动手柄3带动转子4转动，当转子4上的圆弧状凸棱4-2-1通过振子5的两小圆柱5-3时，振子5在横杆6上不运动；当转子4上的正弦函数曲线状凸棱4-2-2通过振子5的两小圆柱5-3时，可周期性拨动振子5沿横杆6左右运动。因转子4上的正弦函数曲线状凸棱4-2-2依次先后通过对应的振子5的两小圆柱5-3，所以各振子5依次先后投入沿横杆6左右运动，观察振子5上的小球5-2，可演示出图2所示的振动质点运动形成疏密相间的纵波图象，如图11、图12所示。当转子4上的正弦函数曲线状凸棱4-2-2通过对应的振子5的两小圆柱5-3之后，振子5停止振动，可演示出，波源停止振动，各质点依次停止振动，波形继续传播的现象。

Claims (8)

1、一种纵波演示仪，由底座(1)、支架(2)、手柄(3)、转子(4)、振子(5)、横杆(6)及转轴(7)组成，其特征在于：所述振子(5)有多个，每个振子(5)的组成是：振子(5)的中部为一方形框(5-1)，方形框(5-1)的上面固定一小球(5-2)，方形框(5-1)的下框前后两面各固定一个长度大于方形框(5-1)的边框宽，且大小相等的小圆柱(5-3)；所述转子(4)的结构形状为：在一个大圆柱(4-1)的侧面上有多个大小相等的凸棱(4-2)，每个凸棱(4-2)都绕在大圆柱(4-1)的侧面且成闭合状，每个凸棱(4-2)均与大圆柱(4-1)固为一体；凸棱(4-2)的大小正好穿过上述振子(5)的两个小圆柱(5-3)之间且形成滑动连接，从而使凸棱(4-2)在两小圆柱(5-3)之间能光滑滑动；凸棱(4-2)的个数与振子(5)的数量相等。

2、根据权利要求1所述的一种纵波演示仪，其特征在于：所述转轴(7)固定在转子(4)的大圆柱(4-1)两端中心处，且与大圆柱(4-1)的端面垂直，转轴(7)与转子(4)固为一体。

3、根据权利要求1和2所述的一种纵波演示仪，其特征在于：所述转子(4)在其两端转轴(7)穿过两支架(2)对称位置后，将两支架(2)固定于底座(1)上，转子(4)两端的转轴(7)与两支架(2)为转动连接，从而使转子(4)可通过转轴(7)在两支架(2)间转动。

4、根据权利要求1所述的一种纵波演示仪，其特征在于：所述横杆(6)为长方条状，其端面大小正好穿过振子(5)的方形框(5-1)，且与方形框(5-1)构成滑动连接，从而使振子(5)可在横杆(6)上光滑移动。

5、根据权利要求1和4所述的一种纵波演示仪，其特征在于：所述振子(5)都穿在横杆(6)上，让振子(5)上的小球(5-2)处于横杆(6)的上面，让转子(4)的凸棱(4-2)一一对应穿过振子(5)的两个小圆柱(5-3)之间，使振子(5)处在转子(4)的正上方，把横杆(6)的两端固定在两支架(2)上。

6、根据权利要求1所述的一种纵波演示仪，其特征在于：所述手柄(3)与转子(4)一端的转轴(7)在两支架(2)的外侧固定连接，使手柄(3)与转子(4)构成联动结构，转动手柄(3)可带动转子(4)转动。

7、根据权利要求1所述的一种纵波演示仪，其特征在于：所述转子(4)上的凸棱(4-2)的结构组成是：A：每个凸棱(4-2)的形状有两部分组成：一部分为圆弧状凸棱(4-2-1)，圆弧状凸棱(4-2-1)的扇面平行于大圆柱(4-1)的端面，圆弧状凸棱(4-2-1)与大圆柱(4-1)侧面接触部分的弧长，即圆弧状凸棱(4-2-1)的长大于大圆柱(4-1)的侧面圆周长的二分之一；另一部分为正弦函数曲线状凸棱(4-2-2)，正弦函数曲线状凸棱(4-2-2)的长度等于半个周期正弦函数曲线长的大于2的正整数倍，并使各凸棱(4-2)的圆弧状凸棱(4-2-1)的两端与正弦函数曲线状凸棱(4-2-2)的两端正好连接，正弦函数曲线状凸棱(4-2-2)在大圆柱(4-1)侧面上对应的弧长小于大圆柱(4-1)的侧面圆周长的二分之一；B：从大圆柱(4-1)一端数起的第二个凸棱(4-2)开始，各凸棱(4-2)的正弦函数曲线状凸棱(4-2-2)的起点相对其前一个凸棱(4-2)的正弦函数曲线状凸棱(4-2-2)的起点，在大圆柱(4-1)的侧面上沿圆周向同一方向滞后一定的弧长，并且各凸棱(4-2)的正弦函数曲线状凸棱(4-2-2)的起点滞后的弧长的总和，小于一个凸棱(4-2)的正弦函数曲线状凸棱(4-2-2)的起点到终点在大圆柱(4-1)的侧面上的弧长；C：各凸棱(4-2)的圆弧状凸棱(4-2-1)平行等距。

8、根据权利要求1或7所述的一种纵波演示仪，其特征在于：所述振子(5)的数量一般要大于13个，所述正弦函数曲线状凸棱(4-2-2)的长度一般为1.5个周期或2个周期正弦函数曲线的长。

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