大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)講義(三)

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)講義（三）振動(dòng)平臺(tái)系列設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主編：封玲更新日期：2010年4月19日7振動(dòng)平臺(tái)系列設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)振動(dòng)是聲學(xué)、地震學(xué)、建筑力學(xué)、機(jī)械原理、造船等所必需的基礎(chǔ)知識(shí)，也是光學(xué)、電學(xué)、交流電工學(xué)、無線電技術(shù)以及原子物理學(xué)所不可缺少的基礎(chǔ)，這是因?yàn)槌龣C(jī)械振動(dòng)外，自然界中還存在很多類似于機(jī)械振動(dòng)的現(xiàn)象。在不同的振動(dòng)現(xiàn)象中最基本最簡(jiǎn)單的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧振動(dòng),一切復(fù)雜的振動(dòng)都可以分解為一系列不同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)組合而成，這樣的分解在數(shù)學(xué)上的依據(jù)是傅立葉級(jí)數(shù)或傅立葉積分的理論。讓我們從研究最基礎(chǔ)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)開始進(jìn)行振動(dòng)的研究吧。平臺(tái)儀器轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器（CI-6538）：它的核心是一個(gè)光學(xué)編碼器，每轉(zhuǎn)（360）最

2、多可采集1440個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過數(shù)據(jù)采集與處理軟件可以設(shè)置每轉(zhuǎn)采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，有360個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和1440個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（即分辨率為1或360）兩種設(shè)置，旋轉(zhuǎn)的方向同樣可被感知。轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器最常用于測(cè)量物體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與轉(zhuǎn)動(dòng)位置。光電門（ME-94F98A）：光電門也稱為光電開關(guān)，利用狹窄的紅外光束和快速的下降時(shí)間為計(jì)時(shí)提供精確的信號(hào)。當(dāng)光門的光被擋住時(shí)，與光門相連的數(shù)字通道為0電壓狀態(tài)；光門透光時(shí)，與光門相連的數(shù)字通道為5V電壓狀態(tài)。光門傳感器相當(dāng)于一個(gè)數(shù)字毫秒計(jì)，它通過測(cè)量固定擋光寬度（S）和擋光時(shí)間(t)，從而可以得到該物體經(jīng)過光門時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度()。機(jī)械振蕩驅(qū)動(dòng)器（ME-8750）：用于驅(qū)動(dòng)低頻（0

3、.3-3 Hz）、高轉(zhuǎn)矩、正弦振蕩設(shè)備，它由DC電機(jī)、位移驅(qū)動(dòng)臂、裝配支架組成。驅(qū)動(dòng)臂通過拉動(dòng)細(xì)線，帶動(dòng)振蕩設(shè)備進(jìn)行正弦振蕩。功率放大器 II （CI-6552A）：是PASCO計(jì)算機(jī)接口的附件。它放大從電腦輸出的信號(hào)，可以作為一個(gè)可控的DC電源或AC函數(shù)發(fā)生器。在DATA STUDIO軟件控制下，可以生成正弦波sine、方波square、三角波triangle和鋸齒波sawtooth。這意味著電腦現(xiàn)在可被用作DC或AC信號(hào)發(fā)生器給外電路供電。直流電源（GPS1850D）：18V/5A。受迫振動(dòng)組合儀：該儀器是上述各儀器散件的組裝，專用以測(cè)量研究受迫振動(dòng)和受迫阻尼振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。組裝儀器主要包

4、括：轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器（CI-6538）2個(gè)、金屬圓盤1個(gè)、阻尼磁鐵1個(gè)、彈簧2個(gè)、機(jī)械振蕩驅(qū)動(dòng)器（ME-8750）1個(gè)、A型大支架1個(gè)等。其他配件：A型支架底座及鋼支架、阻尼磁鐵、扭擺圓盤、彈簧若干、細(xì)繩、橡膠頭插線等。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)題目 單擺的振動(dòng)周期設(shè)計(jì)任務(wù)：在一個(gè)固定點(diǎn)上懸掛一根不能伸長(zhǎng)、無質(zhì)量的線，并在線的末端懸一質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)，這就構(gòu)成了單擺。這種理想的單擺實(shí)際上并不存在，因?yàn)閼揖€是有質(zhì)量的，小球不是質(zhì)點(diǎn)，空氣會(huì)給擺動(dòng)帶來阻力。所以只有當(dāng)小球的質(zhì)量遠(yuǎn)大于懸線的質(zhì)量，而它的半徑又遠(yuǎn)小于懸掛長(zhǎng)度時(shí)才接近理想狀態(tài)。設(shè)計(jì)要求：1 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，完成單擺周期測(cè)量（注意擺與擺長(zhǎng)的選擇，并保證單擺在同一

5、平面上振動(dòng)，研究擺長(zhǎng)對(duì)周期的影響）。2 完成周期測(cè)量基礎(chǔ)上可進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究擺線長(zhǎng)短、擺線粗細(xì)、擺球質(zhì)量或擺球體積等對(duì)周期的影響。 題目 垂直彈簧振子系統(tǒng)的周期測(cè)量設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)彈簧振子的實(shí)驗(yàn)裝置，選用合適傳感器如：光門傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、力傳感器等設(shè)備進(jìn)行振子振動(dòng)周期的測(cè)量。提示： 可參考如圖裝置設(shè)計(jì)彈簧振子，進(jìn)行垂直彈簧振子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)周期規(guī)律測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中可通過光門傳感器直接測(cè)量振動(dòng)周期，還可通過力傳感器測(cè)量拉力的變化周期進(jìn)行振動(dòng)周期測(cè)量，或使用位移傳感器測(cè)量物體離測(cè)距裝置的距離變化得到其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。設(shè)計(jì)要求：1） 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置及方案、選擇合適設(shè)備進(jìn)行彈簧振子的周期測(cè)量。2） 比較多個(gè)測(cè)

6、量方案，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)分析。拓展設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)題目 探尋彈簧振子系統(tǒng)的周期經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)內(nèi)容： 對(duì)大量物理現(xiàn)象的觀察、分析以及對(duì)一定的物理量進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上，透過現(xiàn)象，抓住本質(zhì)，從物理現(xiàn)象中總結(jié)歸納出物理規(guī)律，這是實(shí)驗(yàn)科學(xué)中經(jīng)常用到的方法歸納法。本實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)對(duì)象是相互關(guān)聯(lián)的三個(gè)物理量（彈簧勁度系數(shù)k、振子質(zhì)量m、和振動(dòng)周期T）之間的變化關(guān)系，假設(shè)我們只知道彈簧振子的振動(dòng)周期T與彈簧勁度系數(shù)k、振子質(zhì)量m有關(guān)，其關(guān)系式為，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)方案由實(shí)驗(yàn)歸納出公式中的三個(gè)常數(shù)，得到彈簧振子系統(tǒng)的周期經(jīng)驗(yàn)公式。提示：彈簧振子系統(tǒng)有垂直和水平之分，下圖是導(dǎo)軌上組裝的水平彈簧振子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)要求：1）設(shè)計(jì)方案測(cè)量振子質(zhì)量

7、m與振動(dòng)周期T的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推導(dǎo)T與m的關(guān)系；2）設(shè)計(jì)方案測(cè)量勁度系數(shù)k與振動(dòng)周期T的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推導(dǎo)T與k的關(guān)系；2）計(jì)算公式中的A值；3）比較推導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)公式與理論公式，并進(jìn)行適當(dāng)分析。題目 受迫振動(dòng)的規(guī)律研究設(shè)計(jì)內(nèi)容 ： 本實(shí)驗(yàn)對(duì)受迫振動(dòng)所導(dǎo)致的共振現(xiàn)象進(jìn)行研究。物體在周期性外力的持續(xù)作用下發(fā)生的振動(dòng)為受迫振動(dòng)，周期性的外力稱為驅(qū)動(dòng)力，如果驅(qū)動(dòng)力按簡(jiǎn)諧振動(dòng)規(guī)律變化，受迫系統(tǒng)穩(wěn)定后的振動(dòng)也是簡(jiǎn)諧振動(dòng)。使用不同頻率驅(qū)動(dòng)這一系統(tǒng)，讓我們探索一下受迫振動(dòng)的規(guī)律。 提示：受迫振動(dòng)儀主要器件包括轉(zhuǎn)動(dòng)傳感2個(gè)、扭擺圓盤1個(gè)、彈簧2個(gè)、機(jī)械振蕩驅(qū)動(dòng)器1個(gè)和支架。實(shí)驗(yàn)中使用一條細(xì)繩繞在鋁質(zhì)圓盤上，細(xì)繩兩端分別連

8、接兩根彈簧，這樣圓盤可以來回?cái)[動(dòng)，就像一個(gè)扭擺。圓盤在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一定角度后，在彈簧恢復(fù)力矩的作用下，物體開始繞其中心軸的往返擺動(dòng)。調(diào)節(jié)機(jī)械振蕩驅(qū)動(dòng)器頻率可進(jìn)行受迫振動(dòng)研究。圖1 受迫振動(dòng)組合儀圖3 阻尼磁鐵與扭擺圓盤圖2 機(jī)械振蕩驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)軌上受迫振動(dòng)儀組裝：在動(dòng)力小車的兩端各連接一彈簧，兩根彈簧的自由端分別與導(dǎo)軌上的可調(diào)末端緩沖器和通過振蕩驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)向孔的細(xì)線相連。小車在彈簧恢復(fù)力矩的作用下，在導(dǎo)軌上進(jìn)行往返擺動(dòng)。調(diào)節(jié)機(jī)械振蕩驅(qū)動(dòng)器頻率可進(jìn)行受迫振動(dòng)研究。圖3：小車和彈簧的受迫振動(dòng)模式設(shè)計(jì)要求：1） 設(shè)計(jì)組裝受迫振動(dòng)系統(tǒng)，觀察受迫振動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)頻率與受迫振動(dòng)系統(tǒng)頻率的關(guān)系。2） 使用不同頻率驅(qū)動(dòng)這一系統(tǒng)，測(cè)量穩(wěn)定后系統(tǒng)受迫振動(dòng)的頻率與振幅的變化關(guān)系，測(cè)定幅頻特性（A 曲線），從A求出受迫振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率。（注意：當(dāng)更換驅(qū)動(dòng)頻率時(shí)，系統(tǒng)需花些時(shí)間響應(yīng)，待其穩(wěn)定后觀察其振幅的改變。）3） 理解位移共振的特點(diǎn)與產(chǎn)生條件，設(shè)計(jì)方案研究振蕩系統(tǒng)振幅最大即位移共振時(shí)，受迫振動(dòng)頻率與固有頻率的關(guān)系。4） 理解速度共振的特點(diǎn)與產(chǎn)生條件，設(shè)計(jì)方案研究振蕩系統(tǒng)速度最大即速度共振時(shí)，受迫振動(dòng)頻率與固有頻率的關(guān)系。題目 復(fù)擺的振動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)內(nèi)容 ：一個(gè)形狀不規(guī)則的剛體，在重力作用下繞固定軸豎直平面內(nèi)做往復(fù)擺動(dòng)，這種剛體叫做復(fù)擺（又稱物理擺）。在擺角很小的情況下復(fù)擺振動(dòng)可以認(rèn)