CN220137827U - 一种机械振动和机械波一体演示器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机械振动和机械波一体演示器，包括支架、振动演示装置和波动演示装置，振动演示装置包括水写布、驱动机构、振源和水管，水写布水平铺设，驱动机构用于驱动水写布水平匀速运动，振源能在垂直水写布运动方向的平面内周期摆动，水管的出水端连接在振源上，能随着振源进行周期振动，且水管的出水端流出的水掉落在水写布上；波动演示装置包括传动组件和多个质点，传动组件设置在支架上，并与振源连接，多个质点沿着水写布运动方向间隔设置，传动组件能将振源的振动顺次传动给质点，且每个质点能在振动的作用下在平行位置上下振动。通过本演示器，可帮助学生理解振动和波动的区别与联系，直观地建立波的概念。

Description

一种机械振动和机械波一体演示器

技术领域

本实用新型涉及演示装置，具体涉及一种机械振动和机械波一体演示器。

背景技术

在物理学中，机械振动是一种比较复杂的机械运动。机械振动和机械波动是密切相关又互相区别的两种运动形式，讲清振动和波动的区别与联系，对建立波的概念有着重要的作用。

高中机械波部分的教学，主要帮助学生理解机械波的产生和传播过程，其教学重难点具体表现为以下三点：①在波动中，媒质质点只是在各自的平衡位置附近振动，并不随波迁移；②沿波的传播方向上，媒质质点的运动依次落后；③波动图像和振动图像的联系与区别。鉴于中学生的数学知识有限和机械振动的复杂性，机械振动的学习相对困难，于是在机械振动和机械波的教学中，往往需要使用到一些特殊的演示仪器帮助学生理解。在现有的机械振动和机械波实验仪器，一般是采用模拟实验或者是单一演示实验，如简谐运动图像演示仪和横波演示器，尚无能同时演示两个实验的仪器，难以突破学生的学习难点。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型要解决的技术问题是提供一种机械振动和机械波一体演示器。

为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：一种机械振动和机械波一体演示器，包括：

支架，

振动演示装置，包括水写布、驱动机构、振源和水管，所述水写布水平铺设，所述驱动机构与所述水写布连接，用于驱动所述水写布水平匀速运动，所述振源设置在支架上，并位于所述水写布正上方，所述振源能在垂直所述水写布运动方向的平面内周期摆动，所述水管的进水端能与外界远离连接，所述水管的出水端连接在所述振源上，能随着所述振源进行周期振动，且所述水管的出水端流出的水掉落在所述水写布上；及

波动演示装置，包括传动组件和多个质点，所述传动组件设置在所述支架上，并与所述振源连接，多个所述质点沿着所述水写布运动方向间隔设置，所述传动组件能将所述振源的振动顺次传动给所述质点，且每个所述质点能在振动的作用下在平行位置上下振动。

进一步地，所述驱动机构包括放卷毂、收卷毂和旋转动力源，所述放卷毂能转动的设置在所述支架上，所述水写布的缠绕在所述放卷毂上，所述收卷毂能转动的设置所述支架上，所述旋转动力源的动力输出轴与所述收卷毂连接，所述水写布一端绕着在所述放卷毂上，所述水写布的另外一端缠绕在所述收卷毂上。

进一步地，所述振源包括振动盘、第一连接杆和摆球，所述振动盘能转动的设置在所述支架上，所述摆球通过所述第一连接杆悬挂在所述振动盘上，所述水管的出水端固定在所述摆球上。

进一步地，所述传动组件包括振杆、从动盘、第二连接杆和弹性条，所述振杆能转动设置在所述支架上，并与所述水写布平行设置，所述振动盘能转动的套设在所述振杆上，所述从动盘有多个，多个所述从动盘间隔均匀的、能转动的套设在所述振杆上，每个所述从动盘通过所述第二连接杆连接有一个轻质的所述质点，所述弹性条的首端与所述振动盘连接，所述弹性条的尾端顺次穿过所述从动盘后连接在最末的所述从动盘上。

进一步地，所述弹性条有两个，两个所述弹性条相对于所述振杆对称设置。

进一步地，所述从动盘上周向间隔的设置多个配重块。

进一步地，所述波动演示装置还包括阻尼组件，所述阻尼组件与最末的所述从动盘连接，能对所述从动盘提供阻尼；所述阻尼组件包括第三连接杆、阻尼片和水槽，所述阻尼片通过所述第三连接杆悬挂在最末的所述从动盘上，所述水槽内存放有液体，所述第三连接杆为硬质杆，所述阻尼片浸没在所述液体内。

进一步地，还包括刹车件，所述刹车件设置在所述支架上，用于阻止所述波动演示装置振动。

进一步地，所述刹车件包括挡杆，所述挡杆与所述振杆平行设置，并能上下移动的连接在所述支架上，当所述挡杆位于上方时，所述质点在振动过程中不能与所述挡杆接触，当所述挡杆位于下方时，所述点在振动过程中能与所述挡杆接触。

进一步地，所述刹车件还包括转盘，所述转盘能转动的设置在所述支架上，所述挡杆偏心的设置在所述转盘。

本实用新型的有益效果：

上述机械振动和机械波一体演示器，先以水写布运动方向设定为X方向，振源摆动方向为Y方向，振源静止时的位置为坐标原点建立坐标系。使用时，先使振源不动、水写布沿着X方向水平运动运动，水管与外界水源连通并出水的情况，一段时间后，可观察到水写布上有一段水平方向的沿着X方向直线，当v恒定时可用s(直线轨迹)的改变来描述时间t的变化，从而将抽象的时间变化转化为直观的水平位置的变化；

在水写布静止、水管出水的情况，振源进行周期振动(Y方向)的情况下，一段时间后，可观察到水写布上有一段竖直方向的沿着Y方向直线，此直线即振源的运动轨迹；

在水写布匀速沿着X方向输送、水管出水的情况，振源进行周期振动，一段时间后，可观察到振源在水写布上的为正弦波形振动图像。

此外，振源在振动的同时将振动通过传动组件310传动多个质点320，通过此装置，可以直观的看出，每个质点320在振动的作用下在平行位置上下振动，而所有的质点320的运动共同形成立体的机械波形。

通过本演示器，可帮助学生理解振动图像的物理意义：在所建坐标系中，用横轴表示时间，纵轴表示振子振动的位移的情况下，机械振动的图像是单个振子振动的位移随时间变化的函数图像。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实用新型一实施例提供的一种机械振动和机械波一体演示器的正视图；

图2为图1所示的一种机械振动和机械波一体演示器的立体示意图；

图3为图1所示的一种机械振动和机械波一体演示器中振源不动、水写布平动的振动图像；

图4为图1所示的一种机械振动和机械波一体演示器中振源动、水写布静止的振动图像；

图5为图1所示的一种机械振动和机械波一体演示器中振源动振动、水写布平动的振动图像；

图6为图1所示的一种机械振动和机械波一体演示器中从动盘的示意图；

附图标记：

100、支架；200、振动演示装置；210、水写布；220、驱动机构；221、放卷毂；222、收卷毂；223、旋转动力源；230、振源；231、振动盘；232、第一连接杆；233、摆球；240、水管；300、波动演示装置；310、传动组件；311、振杆；312、从动盘；313、第二连接杆；314、弹性条；315、配重块；320、质点；330、阻尼组件；331、第三连接杆；332、阻尼片；333、水槽；400、刹车件；410、挡杆；420、转盘。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

请参见图1至图6，本实用新型提供一种机械振动和机械波一体演示器，包括支架100、振动演示装置200和波动演示装置300。

具体的，振动演示装置200包括水写布210、驱动机构220、振源230和水管240。水写布210遇水能显示印记。水写布210水平铺设，驱动机构220与水写布210连接，用于驱动水写布210水平匀速运动，振源230设置在支架100上，并位于水写布210正上方。振源230能进行周期振动。水管240的进水端能与外界远离连接，水管240的出水端连接在振源230上，能随着振源230进行周期振动，且水管240的出水端流出的水掉落在水写布210上。

波动演示装置300包括传动组件310和多个质点320。传动组件310设置在支架100上，并与振源230连接，多个质点320设置在沿着水写布210运动方向间隔设置。传动组件310能将振源230的振动顺次传动给质点320，且质点320在振动的作用下在平行位置上下振动。在具体实施，质点320应尽量选择轻质材料制成，如通过泡沫制成，或直接为小气球。

将水写布210运动方向设定为X方向，振源摆动方向为Y方向，振源静止时的位置为坐标原点建立坐标系。使用时，先使振源230不动、水写布210沿着X方向水平运动运动，水管240与外界水源连通并出水的情况，一段时间后，可观察到水写布210上有一段水平方向的沿着X方向直线(参见图3)，当v恒定时可用s(直线轨迹)的改变来描述时间t的变化，从而将抽象的时间变化转化为直观的水平位置的变化；

在水写布210静止、水管240出水的情况，振源230进行周期振动(Y方向)的情况下，一段时间后，可观察到水写布210上有一段竖直方向的沿着Y方向直线(参见图4)，此直线即振源230的运动轨迹；

在水写布210匀速沿着X方向输送、水管240出水的情况，振源230进行周期振动，一段时间后，可观察到振源230在水写布210上的为正弦波形振动图像(参见图5)。

此外，振源230在振动的同时将振动通过传动组件310传动多个质点320，通过此装置，可以直观的看出，每个质点320在振动的作用下在平行位置上下振动，而所有的质点320的运动共同形成立体的机械波形。

通过本演示器，可帮助学生理解振动图像的物理意义：在所建坐标系中，用横轴表示时间，纵轴表示振子振动的位移的情况下，机械振动的图像是单个振子振动的位移随时间变化的函数图像。

同时，通过观察可以很明显看出，质点320在振动时，该质点320只是在平衡位置上下振动，没有和波一起往前运动，实验演示的现象可以很好地破解学生已有的前概念(看到波形往前就以为是质点320在往前运动)；其次，观察相邻的两个质点320运动可以看出，质点320的运动依次落后；最后，能同时看到所有的质点320整体呈现的波动图像和振源230水写布210上画的振动图像。联系前边振动图像物理意义的学习，学生可以理解振动图像与波动图像的联系与区别在于：

1、振动是波动的成因，波动是振动在介质中的传播，产生机械波的必备条件：振动和介质。

2、振动是单个质点320在平衡位置的往复运动，波动中每个质点320都是在各自的平衡位置附近上下振动，波动是介质中大量质点320依次振动形成的；

3、振动图象描述的是单个质点320的位移随时间的变化规律；波动图像描述的是某一时刻多个质点320的空间分布规律。

在本实施例中，驱动机构220包括放卷毂221、收卷毂222和旋转动力源223，放卷毂221能转动的设置在支架100上，水写布210的缠绕在放卷毂221上，收卷毂222能转动的设置支架100上，旋转动力源223的动力输出轴与收卷毂222连接，水写布210一端绕着在放卷毂221上，水写布210的另外一端缠绕在收卷毂222上。

当然，在其他实施方式，驱动机构220可为其他形式，如：通过伸缩机构匀速的拖到水写布沿着X方向运动即可。

在本实施例中，振源230包括振动盘231、第一连接杆232和摆球233。振动盘231能转动的设置在支架100上，摆球233通过第一连接杆232悬挂在振动盘231上，水管240的出水端固定在摆球233上。

使用时，手动驱动摆球233摆动，摆球233在Y方向摆动，则可带动振动盘231转动。在摆球233摆动时，带动水管240的出水端摆动，则可在水写布210上作图。

在本实施例中，传动组件310包括振杆311、从动盘312、第二连接杆313和弹性条314。振杆311能转动设置在支架100上，并与水写布210平行设置，振动盘231能转动的套设在振杆311上。从动盘312有多个，多个从动盘312间隔均匀的、能转动的套设在振杆311上。每个从动盘312通过第二连接杆313连接有一个轻质的质点320。弹性条314的首端与振动盘231连接，弹性条314的尾端顺次穿过从动盘312后连接在最末的从动盘312上。

使用时，当振动盘312振动时，通过弹性条314带动从动盘312，从动盘312则带动连接在其上的质点320振动，则可看出每个质点320都是在各自的平衡位置附近振动，同时也能看出全部质点320整体在空间上依次振动形成的波动。在具体实施时，振动盘312可优选通过轴承与振杆连接，进一步减少能量损耗。

为了提高演示准确性，弹性条314可设置有两个，两个弹性条314相对于振杆311对称设置。当然，也可设置多条，将多条弹性条314周向间隔均匀设置即可。弹性条314可选择为橡胶条或弹簧条。另外，从动盘314上周向间隔的设置多个配重块315。配重块315可最大化的增加从动盘314的重量，从而增加从动盘314的转动惯量，进行振动的传动。

作为优选实施方式，波动演示装置300还包括阻尼组件330。阻尼组件330与最末的从动盘312连接，能对从动盘312提供阻尼。阻尼组件330用于消耗能量，以减少反射波的影响。

具体的，阻尼组件330包括第三连接杆331、阻尼片332和水槽333。阻尼片332通过第三连接杆331悬挂在最末的从动盘312上，水槽333内存放有液体，第三连接杆331为硬质杆，阻尼片332浸没在液体内。

当从动盘312振动时，水槽333中的液体对阻尼片332形成阻力，从而达到阻尼的效果。

作为另外优选实施方式，本演示器还包括刹车件400，刹车件400设置在支架100上，用于阻止波动演示装置300振动，方便重新试验。

具体的，刹车件400包括挡杆410。挡杆410与振杆311平行设置，并能上下移动的连接在支架100上，当挡杆410位于上方时，质点320在振动过程中不能与挡杆410接触，当挡杆410位于下方时，点在振动过程中能与挡杆410接触。

当需要阻止质点320振动时，可将挡杆410向下移动，使挡杆410与振杆311之间的距离小于质点320与振杆311之间的距离，则可阻止质点320周向转动，直至质点320慢慢停止下落。

作为更优选的，刹车件400还包括转盘420。转盘420能转动的设置在支架100上，挡杆410偏心的设置在转盘420。使用时，可通过选择转盘420驱动挡杆410转动移动位置，方便操作。

上述机械振动和机械波一体演示器的使用方式：

使用时，先使摆球233不动，启动旋转动力源223，驱动水写布210沿着X方向水平运动运动，水管240与外界水源连通并出水的情况，一段时间后，可观察到水写布210上有一段水平方向的直线(沿着X方向)；在水写布210静止、水管240出水的情况，摆球233进行周期振动的情况下，一段时间后可观察到水写布210上有一段竖直方向的直线(沿着Y方向)，即摆球233的运动轨迹；在水写布210匀速沿着X方向输送、水管240出水的情况，摆球233进行周期振动，一段时间后可观察到摆球233在水写布210上的振动图像(为正弦波形)。

此外，振源230在振动的同时将振动通过传动组件310传动多个质点320，通过此装置，可以直观的看出，每个质点320在振动的作用下在平行位置上下振动，而所有的质点320共同形成立体的机械波形。

采用本装置，可通过同一振源230，演示机械振动和机械波动，从而方便理解振动和波动的区别和联系两种运动形式，讲清振动和波动的区别与联系，对建立波的概念有着重要的作用。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种机械振动和机械波一体演示器，其特征在于，包括：

支架，

振动演示装置，包括水写布、驱动机构、振源和水管，所述水写布水平铺设，所述驱动机构与所述水写布连接，用于驱动所述水写布水平匀速运动，所述振源设置在支架上，并位于所述水写布正上方，所述振源能在垂直所述水写布运动方向的平面内周期摆动，所述水管的进水端能与外界远离连接，所述水管的出水端连接在所述振源上，能随着所述振源进行周期振动，且所述水管的出水端流出的水掉落在所述水写布上；及

波动演示装置，包括传动组件和多个质点，所述传动组件设置在所述支架上，并与所述振源连接，多个所述质点沿着所述水写布运动方向间隔设置，所述传动组件能将所述振源的振动顺次传动给所述质点，且每个所述质点能在振动的作用下在平行位置上下振动。

2.根据权利要求1所述的机械振动和机械波一体演示器，其特征在于，所述驱动机构包括放卷毂、收卷毂和旋转动力源，所述放卷毂能转动的设置在所述支架上，所述水写布缠绕在所述放卷毂上，所述收卷毂能转动的设置所述支架上，所述旋转动力源的动力输出轴与所述收卷毂连接，所述水写布一端绕着在所述放卷毂上，所述水写布的另外一端缠绕在所述收卷毂上。

3.根据权利要求1所述的机械振动和机械波一体演示器，其特征在于，所述振源包括振动盘、第一连接杆和摆球，所述振动盘能转动的设置在所述支架上，所述摆球通过所述第一连接杆悬挂在所述振动盘上，所述水管的出水端固定在所述摆球上。

4.根据权利要求3所述的机械振动和机械波一体演示器，其特征在于，所述传动组件包括振杆、从动盘、第二连接杆和弹性条，所述振杆能转动设置在所述支架上，并与所述水写布平行设置，所述振动盘能转动的套设在所述振杆上，所述从动盘有多个，多个所述从动盘间隔均匀的、能转动的套设在所述振杆上，每个所述从动盘通过所述第二连接杆连接有一个轻质的所述质点，所述弹性条的首端与所述振动盘连接，所述弹性条的尾端顺次穿过所述从动盘后连接在最末的所述从动盘上。

5.根据权利要求4所述的机械振动和机械波一体演示器，其特征在于，所述弹性条有两个，两个所述弹性条相对于所述振杆对称设置。

6.根据权利要求4所述的机械振动和机械波一体演示器，其特征在于，所述从动盘上周向间隔的设置多个配重块。

7.根据权利要求4所述的机械振动和机械波一体演示器，其特征在于，所述波动演示装置还包括阻尼组件，所述阻尼组件与最末的所述从动盘连接，能对所述从动盘提供阻尼；所述阻尼组件包括第三连接杆、阻尼片和水槽，所述阻尼片通过所述第三连接杆悬挂在最末的所述从动盘上，所述水槽内存放有液体，所述第三连接杆为硬质杆，所述阻尼片浸没在所述液体内。

8.根据权利要求4所述的机械振动和机械波一体演示器，其特征在于，还包括刹车件，所述刹车件设置在所述支架上，用于阻止所述波动演示装置振动。

9.根据权利要求8所述的机械振动和机械波一体演示器，其特征在于，所述刹车件包括挡杆，所述挡杆与所述振杆平行设置，并能上下移动的连接在所述支架上，当所述挡杆位于上方时，所述质点在振动过程中不能与所述挡杆接触，当所述挡杆位于下方时，所述点在振动过程中能与所述挡杆接触。

10.根据权利要求9所述的机械振动和机械波一体演示器，其特征在于，所述刹车件还包括转盘，所述转盘能转动的设置在所述支架上，所述挡杆偏心的设置在所述转盘。