CN201331860Y - 一种固定弦振动研究的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实验教学仪器，旨在提供一种固定弦振动研究的实验装置。该装置包括一根钢丝弦通过两块支撑板固定在机架的表面上，在机架左右长度的两端上还分别设有弦拉紧装置和张力改变装置，与所述钢丝弦分别相连；张力改变装置与质量改变装置相连；两块支撑板之间设有信号发射接收的装置。本实用新型相比以前的实验装置，其实验原理清楚、结构更为合理，并能提高测量精度和增加实验内容。

Description

一种固定弦振动研究的实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种实验教学仪器，更具体地说，是一种固定弦振动研究的实验装置。

背景技术

振动和波是自然界中普遍存在的一种运动形式，在力(包括声)、热、电、光各领域都可以广泛观察到。尽管它们有着本质的不同，但在形式上都有相同的规律，因此，借助机械振动和波的规律的研究有利于对其它形式的振动和波的规律的认识，为此，目前国内大专院校关于机械振动和波的规律的研究是物理教学实验必修课题之一。而其实验装置一般都采用以下方式：将一根钢丝弦一端固定于频率可调的振动源，另一端通过一滑轮下挂一可装砝码的挂钩，然后，启动振动源，使钢丝弦振动，来了解振动在弦上传播的规律及改变频率和固定弦的张力，测量均匀弦上横波传播速度和线密度。但其装置的缺点是：(1)无使钢丝弦拉紧装置，因此，钢丝弦在未悬挂砝码或悬挂质量较轻砝码时钢丝弦无法拉紧，其测量的张力不确定因素较大，导致测量弦线上横波的传播速度和弦线的线密度的误差增大。(2)给钢丝弦施加一定频率时，钢丝弦发生振动，其振幅为最大时的频率为共振频率，但由于该装置无将机械振动信号转换成电信号功能，因此，其共振频率只能通过肉眼观察并凭感觉加以确定，测量的重复性差。(3)实验时为改变钢丝弦不同的张力，靠在钢丝弦一端悬挂质量不同的砝码来实现，但由于其悬挂点只有一个，所以测量次数受砝码数量的限制。(4)为确定钢丝弦的长度，一般按其所需在装置上米尺的对应处放置两块支撑板，而板的刀口顶着钢丝弦，但由于钢丝弦的振动，两块支撑板也会产生位移，也影响了测量的正确性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的是克服现有技术的缺点，提供实验原理清楚、结构更为合理，并能提高测量精度和增加实验内容的一种固定弦振动研究的实验装置。

本实用新型的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种固定弦振动研究的实验装置，包括一根钢丝弦通过两块支撑板固定在机架的表面上，在机架左右长度的两端上还分别设有弦拉紧装置和张力改变装置，与所述钢丝弦分别相连；张力改变装置与质量改变装置相连；两块支撑板之间设有信号发射接收的装置。

作为一种改进，所述弦拉紧装置由调节圆柱、紧固螺钉、调节旋钮、调节丝杆组成；调节圆柱安装在机架表面左侧的长形槽中，并可在槽中前后自由活动，调节丝杆穿过机架的左侧板旋入调节圆柱，利用调节旋钮控制调节圆柱的位移。

作为一种改进，所述张力改变装置由杠杆固定块和杠杆组成；杠杆固定块用螺钉固定在机架的右侧板上，杠杆插入杠杆固定块的凹槽中并用销钉固定，杠杆可上下自由摆动。

作为一种改进，所述杠杆上设有至少一个以上的缺口，供悬挂砝码之用。

作为一种改进，所述杠杆的上表面上设有五个距离相等的缺口。

作为一种改进，所述质量改变装置由砝码和挂钩组成；所述砝码由一片500g、一片200g、二片100g、一片50g的黄铜圆块构成；所述挂钩是将黄铜杆的一头弯成钩状，另一头装上一圆板构成，挂钩的重量为50g。

作为一种改进，所述信号发射接收的装置包括接收传感器和驱动传感器；所述接收传感器内装有一空心线圈，空心线圈中插有铁芯，铁芯下端装有一永久磁铁；所述驱动传感器内装有一空心线圈，空心线圈中插有铁芯；所述的两空心线圈的引出端都接通有导线。驱动传感器接受信号源所发生的频率，驱动钢丝弦振动，接收传感器接收钢丝弦振动所产生的机械波并转换成电信号输出至示波器。

作为一种改进，所述钢丝弦的一端固定有一包头焊片，另一端固定有一铜圆柱；包头焊片端用紧固螺钉固定于所述调节圆柱的上端，铜圆柱端则被嵌入所述杠杆的U形槽中。

作为一种改进，所述支撑板的底部设有磁性橡皮，固定在机架的表面上。

作为一种改进，所述机架的表面设有米尺。

本实用新型的原理是用两块带磁性橡皮的支撑板配合米尺以确定钢丝弦的长度，辅以信号源、示波器来完成机械振动和波的规律的研究。其中，支撑板的刀口高度刚好顶至钢丝弦；二块较弱磁性的橡皮粘贴于机架表面的前后，能吸住支撑板，使其在钢丝弦振动时不引起移位；钢丝弦可为三种不同规格的钢丝，其直径分别为0.2、0.3、0.4mm，其一端固定一包头焊片，另一端固定于一铜圆柱，铜圆柱刚好嵌入杠杆的U形槽中。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：

1、本实用新型具有对钢丝弦的拉紧装置，使钢丝弦的拉紧度(即张力)更为准确，提高了测量精度；

2、本实用新型利用杠杆使相同质量的砝码有五个悬挂点，即有五种不同的钢丝弦的拉紧度(即张力)提供测量，增加了实验内容；

3、本实用新型机架的表面粘贴有磁性橡皮，避免在钢丝弦振动时，支撑板发生位移，保证已确定的钢丝弦长度的正确性；

4、本实用新型的传感器能将机械波转换为电信号并通过示波器观察到波的形状、波幅大小、共振波数量等，形象直观，并使共振频率的确定更为准确，相应提高了波速、线密度测量的精度。

附图说明

图1是本实用新型的主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中驱动传感器9的结构剖视图；

图4是图1中接收传感器7的结构剖视图；

图5是本实用新型具体实施应用图。

图6是图5中杠杆5的具体示意图。

图中：机架1  杠杆固定块2  砝码3  挂钩4  杠杆5  支撑板6  接收传感器7  钢丝弦8  驱动传感器9  调节圆柱10  紧固螺钉11  调节旋钮12  调节丝杆13  导线14  磁性橡皮15  铁芯16  空心线圈17米尺18  永久磁铁19  传感器底盖板20  示波器71  信号源91

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

见图1、2中，本实用新型的固定弦振动研究的实验装置，包括一根钢丝弦8通过两块支撑板6固定在机架1的表面上，在机架1左右长度的两端上还分别设有弦拉紧装置和张力改变装置，与所述钢丝弦8分别相连；张力改变装置与质量改变装置相连；两块支撑板6之间设有信号发射接收的装置。

支撑板6采用A3铁板材料制成，刀口高度刚好顶至钢丝弦8；钢丝弦8装有包头焊片的一端用紧固螺钉11将包头焊片紧固在调节圆柱10上，钢丝弦8装有铜柱一端嵌入杠杆5的U形槽中，驱动传感器9置于机架1表面的左侧，接收传感器7置于机架1表面的右侧，二者距离应大于10Cm，钢丝弦8应对准两传感器的铁芯16中心；支撑板6应分别置于驱动传感器9、接收传感器7的左右侧，其刀口位置应按所需距离与米尺18所示相符，两传感器的导线14朝机架1后方。

图3中为接收传感器7结构剖视图。接收传感器7中装有一空心线圈17，空心线圈17上部平面与传感器外壳平面齐平，铁芯16插于空心线圈17之中，铁芯16上端高出空心线圈17上部平面0.5mm，铁芯16下端与永久磁铁19相接，空心线圈17下部的两引线与导线14焊接，再将传感器底盖板20固定于传感器外壳底部。

图4为驱动传感器9结构剖视图。驱动传感器9中装有一空心线圈17，空心线圈17上部平面与传感器外壳平面齐平，铁芯16插于空心线圈17之中，铁芯16上端高出空心线圈17上部平面0.5mm，空心线圈17下部的两引线与导线14焊接，再将传感器底盖板20固定于传感器外壳底部。

图5和图6为本实用新型的一种具体实验应用。驱动传感器9与辅助设备信号源91连接，接收传感器7与辅助设备示波器71的Y1端连接；把两块支撑板6放在钢丝弦8下相距为L的两点上(它们决定振动弦的长度)，在杠杆5上挂砝码3(500g或1kg可选)，然后转动调节旋钮12，使杠杆5水平，这样精确地确定钢丝弦8的拉紧度，如果悬挂的砝码3质量为“M”，在杠杆5的挂钩槽1处，钢丝弦8的拉紧度(张力)等于1Mg，g为重力加速度(g＝9.80m/s²)，如果挂在挂钩槽2处，钢丝弦8张力为2Mg，……。即相同质量砝码3其悬挂点为5个，能体现钢丝弦8的5种不同的张力；调节信号源91，逐渐提高信号发生器频率并施加于驱动传感器9，使钢丝弦8振动，振动机械波由接收传感器7接收，并转换为电信号输入示波器71，观察示波器71接收到的波形振幅的改变及明显的驻波波形，同时观察钢丝弦8，可看到有明显的振幅。当钢丝弦8振动最大时，示波器71接收到的波形振幅最大，钢丝弦8达到了共振，这时的驻波频率就是共振频率。记下示波器71上波形的周期，即可得到共振频率f。再增加输出频率，连续找出几个共振频率(3～5个)，当驻波的频率较高，钢丝弦8上形成几个波腹、波节时，钢丝弦8的振幅会较小，肉眼可能不易观察到。这时先把接收线圈移向右边支承板6，再逐步向左移动，同时观察示波器71，找出并记下波腹和波节的个数及每个波腹和波节的位置。根据所得数据，计算出共振波的波长(两个相邻波节的距离等于半波长)；然后再移动支撑板6，改变钢丝弦8的长度，根据上述步骤重复数次，记录在不同的弦长时的共振频率；放置两块支撑板6相距为60cm，并保持不变，通过改变钢丝弦8的张力，其张力由砝码3所挂的位置决定(如图6所示)，这些位置的张力成1、2、3、4、5的整倍数关系)，测量并记录下不同张力下的驻波的共振频率和张力，并观察示波器71上的共振波的波形(幅度和频率)，求得f后，则可求得线密度：

$\mathrm{\μ}=\frac{n^2\·T}{4L^2\·f^2}$

式中L为弦长，f为驻波共振频率，n为波腹数，T为张力

根据 $V=\sqrt{\frac{T}{\mathrm{\μ}}}$ 算出波速，这一波速与V＝f×λ(f是共振频率，λ是波长)作比较。作出张力与波速的关系图；然后再更换不同直径的钢丝弦8，改变其线密度，根据上述步骤。观察共振频率是否与弦的线密度有关，共振波的波形是否与弦的线密度有关。

最后，还要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的一个具体实施例。显然，本实用新型还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1、一种固定弦振动研究的实验装置，包括一根钢丝弦(8)通过两块支撑板(6)固定在机架(1)的表面上，其特征在于，在机架(1)左右长度的两端上还分别设有弦拉紧装置和张力改变装置，与所述钢丝弦(8)分别相连；张力改变装置与质量改变装置相连；两块支撑板(6)之间设有信号发射接收的装置。

2、根据权利要求1所述的固定弦振动研究的实验装置，其特征在于，所述弦拉紧装置由调节圆柱(10)、紧固螺钉(11)、调节旋钮(12)、调节丝杆(13)组成；调节圆柱(10)安装在机架(1)表面左侧的长形槽中，并可在槽中前后自由活动，调节丝杆(13)穿过机架(1)的左侧板旋入调节圆柱(10)，利用调节旋钮(12)控制调节圆柱(10)的位移。

3、根据权利要求1所述的固定弦振动研究的实验装置，其特征在于，所述张力改变装置由杠杆固定块(2)和杠杆(5)组成；杠杆固定块(2)用螺钉固定在机架(1)的右侧板上，杠杆(5)插入杠杆固定块(2)的凹槽中并用销钉固定，杠杆(5)可上下自由摆动。

4、根据权利要求3所述的固定弦振动研究的实验装置，其特征在于，所述杠杆(5)上设有至少一个以上的缺口，供悬挂砝码(3)之用。

5、根据权利要求4所述的固定弦振动研究的实验装置，其特征在于，所述杠杆(5)的上表面上设有五个距离相等的缺口。

6、根据权利要求1所述的固定弦振动研究的实验装置，其特征在于，所述质量改变装置由砝码(3)和挂钩(4)组成；所述砝码(3)由一片500g、一片200g、二片100g、一片50g的黄铜圆块构成；所述挂钩(4)是将黄铜杆的一头弯成钩状，另一头装上一圆板构成，挂钩(4)的重量为50g。

7、根据权利要求1所述的固定弦振动研究的实验装置，其特征在于，所述信号发射接收的装置包括接收传感器(7)和驱动传感器(9)；所述接收传感器(7)内装有一空心线圈(17)，空心线圈(17)中插有铁芯(16)，铁芯(16)下端装有一永久磁铁(19)；所述驱动传感器(9)内装有一空心线圈(17)，空心线圈(17)中插有铁芯(16)；所述的两空心线圈(17)的引出端都接通有导线(14)。

8、根据权利要求1所述的固定弦振动研究的实验装置，其特征在于，所述钢丝弦(8)的一端固定有一包头焊片，另一端固定有一铜圆柱；包头焊片端用紧固螺钉(11)固定于所述调节圆柱(10)的上端，铜圆柱端则被嵌入所述杠杆(5)的U形槽中。

9、根据权利要求1所述的固定弦振动研究的实验装置，其特征在于，所述支撑板(6)的底部设有磁性橡皮(15)，固定在机架(1)的表面上。

10、根据权利要求1所述的固定弦振动研究的实验装置，其特征在于，所述机架(1)的表面设有米尺(18)。

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