振动平台系列设计试验-深圳大学物理试验教学示范中心.docVIP

机械振动平台 设计性实验讲义（草） 编写：封玲 物理教学实验中心 2011.3. 机械振动平台系列设计实验 振动是声学、地震学、建筑力学、机械原理、造船等所必需的基础知识，也是光学、电学、交流电工学、无线电技术以及原子物理学所不可缺少的基础，这是因为除机械振动外，自然界中还存在很多类似于机械振动的现象。在不同的振动现象中最基本最简单的振动是简谐振动,一切复杂的振动都可以分解为一系列不同频率的简谐振动组合而成，这样的分解在数学上的依据是傅立叶级数或傅立叶积分的理论。让我们从研究最基础的简谐振动开始进行振动的研究吧。 平台仪器 转动传感器（CI-6538）：它的核心是一个光学编码器，每转（360°）最多可采集1440个数据点。通过数据采集与处理软件可以设置每转采集数据点的个数，有360个数据点和1440个数据点（即分辨率为1°或360°）两种设置，旋转的方向同样可被感知。转动传感器最常用于测量物体的转动角度与转动位置。 光电门（ME-94F98A）：光电门也称为光电开关，利用狭窄的红外光束和快速的下降时间为计时提供精确的信号。当光门的光被挡住时，与光门相连的数字通道为0电压状态；光门透光时，与光门相连的数字通道为5V电压状态。光门传感器相当于一个数字毫秒计，它通过测量固定挡光宽度（S）和挡光时间(t)，从而可以得到该物体经过光门时的运动速度()。 机械振荡驱动器（ME-8750）：用于驱动低频（0.3-3 Hz）、高转矩、正弦振荡设备，它由DC电机、位移驱动臂、装配支架组成。驱动臂通过拉动细线，带动振荡设备进行正弦振荡。 功率放大器 II （CI-6552A）：是PASCO计算机接口的附件。它放大从电脑输出的信 号，可以作为一个可控的DC电源或AC函数发生器。在DATA STUDIO软件控制下，可以生成正弦波sine、方波square、三角波triangle和锯齿波sawtooth。这意味着电脑现在可被用作DC或AC信号发生器给外电路供电。 直流电源（GPS—1850D）：18V/5A。 受迫振动组合仪：该仪器是上述各仪器散件的组装，专用以测量研究受迫振动和受迫阻尼振动的运动规律。组装仪器主要包括：转动传感器（CI-6538）2个、金属圆盘1个、阻尼磁铁1个、弹簧2个、机械振荡驱动器（ME-8750）1个、A型大支架1个等。 其他配件：A型支架底座及钢支架、阻尼磁铁、扭摆圆盘、弹簧若干、细绳、橡胶头插线等。 基础设计性实验项目 题目 单摆的振动周期 设计任务：在一个固定点上悬挂一根不能伸长、无质量的线，并在线的末端悬一质量为m的质点，这就构成了单摆。这种理想的单摆实际上并不存在，因为悬线是有质量的，小球不是质点，空气会给摆动带来阻力。所以只有当小球的质量远大于悬线的质量，而它的半径又远小于悬挂长度时才接近理想状态。 设计要求： 设计实验装置，完成单摆周期测量（注意摆与摆长的选择，并保证单摆在同一平面上振动，研究摆长对周期的影响）。 完成周期测量基础上可进一步设计实验，研究摆线长短、摆线粗细、摆球质量或摆球体积等对周期的影响。 题目 弹簧振子的振动规律 设计任务：设计一个弹簧振子的实验装置，选用合适传感器如：光门传感器、运动传感器、力传感器、转动传感器等设备进行振子振动规律的研究。 提示： 可参考如图装置设计弹簧振子，进行弹簧振子振动周期、振动衰减、运动规律测量。实验中可通过光门传感器直接测量振动周期，还可通过力传感器测量拉力的变化周期进行振动周期测量，或使用位移传感器测量物体离测距装置的距离变化得到其振动周期；使用转动传感器可进行振动振幅的测量。 设计要求： 设计实验装置及方案、选择合适设备进行弹簧振子的周期测量； 设计实验装置及方案、选择合适设备进行弹簧振子的振幅测量，讨论弹簧振子的振幅A随时间t的衰减规律。 拓展研究： 探寻弹簧振子系统的周期经验公式。对大量物理现象的观察、分析以及对一定的物理量进行测量的基础上，透过现象，抓住本质，从物理现象中总结归纳出物理规律，这是实验科学中经常用到的方法——归纳法。本实验的观测对象是相互关联的三个物理量（弹簧劲度系数k、振子质量m、和振动周期T）之间的变化关系，假设我们只知道弹簧振子的振动周期T与弹簧劲度系数k、振子质量m有关，其关系式为，请设计方案由实验归纳出公式中的三个常数，得到弹簧振子系统的周期经验公式。 研究时，在弹簧不变情况下，改变振子质量，推导T与m的关系；在振子质量不变的情况下，改变弹簧，推导T与k的关系；推导计算公式中的A值；比较推导的经验公式与理论公式，并进行适当分析。 综合设计性实验项目 题目 利用弹簧振子测量物体惯性质量 设计内容：应用弹簧振子的简谐振动进行物体惯性质量测量。随着振子质量不断变化，其振动周期会发生怎样的变化？请你寻找这一变化