一种新型简谐振动演示仪制造技术

本发明专利技术公开了一种简谐振动演示仪，包括图像分析系统、旋转矢量分析系统、周期分析系统；其中图像分析系统用于绘制简谐振动的正弦函数图像，旋转矢量分析系统用于对简谐振动进行旋转矢量分析，周期分析系统用于精确计算简谐振动的运动周期；图像分析系统包括展示台、气垫导轨、弹簧振子装置、图像绘制装置，气垫导轨通过支架悬空设置于展示台之上，弹簧振子装置平行设置于气垫导轨的上方，图像绘制装置设置于气垫导轨的下方。本发明专利技术不仅可以定性演示简谐振动的运动图像以及简谐振动的旋转矢量分析法，还能定量计算出简谐振动的周期，以及定量讨论影响简谐振动周期的物理参量。

A new type of simple harmonic vibration demonstrator

The invention discloses a harmonic vibration demonstration instrument, including image analysis system, rotation vector analysis system, cycle analysis system; image analysis system for image rendering sine harmonic vibration, rotation vector analysis system for analysis of rotating vector of harmonic vibration, cycle analysis system for motion cycle accurate calculation of harmonic vibration; the image analysis system comprises a display table, air cushion guide, spring vibrator device, image drawing device, air cushion guide through the bracket is suspended on the display on Taiwan, above the spring vibrator device is arranged in parallel air track, below the image rendering device is arranged on the air track. The invention can not only demonstrate qualitatively the moving images of simple harmonic motion, but also analyze the rotation vector analysis method of simple harmonic vibration, and quantitatively calculate the cycle of simple harmonic vibration, and quantitatively discuss the physical parameters influencing the harmonic vibration period.

【技术实现步骤摘要】
一种新型简谐振动演示仪
本专利技术涉及教学实验仪器，尤其涉及一种新型简谐振动演示仪。
技术介绍
简谐振动是高中物理力学内容的进一步延续和拓展，是运用力学和运动学规律分析、判断具体问题的典范，要求学生应用牛顿运动定律的分析方法来理解简谐运动过程中力、加速度、速度的变化特点，要透彻理解简谐振动的运动规律，还需要运用数学知识及研究方法处理物理实际问题，并结合图象分析质点的运动规律；但由于高中学生数学知识的局限性，很难通过求解微分方程，从动力学方程出发，推导出简谐振动的运动学方程；此外，由于简谐振动的规律与直线运动规律存在很大差异，学生对简谐振动的周期性、对称性等运动特性的理解存在较大障碍。因此，通过实验手段，来演示、观察甚至描绘简谐振动的运动图像，显得尤为重要。目前，教学中常用的简谐振动演示仪，如图1所示，该简谐振动演示仪需要两个人配合操作，一人通过手动摇动转滚使纸张匀速移动，另一人通过拉伸或压缩弹簧使振子进行简谐振动，此类装置存在以下问题：1)、只能简单、粗略地将简谐振动的正弦图像描绘出来，无法演示、研究简谐振动的周期、加速度等重要的物理特性；2)振动过程中，振子和支撑杆之间，以及划针与纸面之间的阻力作用，会使弹簧振子迅速停止振动，无法描绘出准确的振动图像；3)手动摇动转滚使纸张移动，无法保证纸张运行匀速运动，降低了简谐振动图像的真实性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提出了一种新型简谐振动演示仪，通过调节气垫导轨的气体流量，产生理想的简谐振动，减速电机带动纸带匀速运动，通过电磁打点计时器使放电针以均匀的时间间隔在纸张上打出一系列墨点，提高简谐振动正弦函数图像的真实性；利用平行光源，准确、直观的进行旋转矢量分析；结合数字计时器，定量计算出振动周期以及影响振动周期的因素。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种简谐振动演示仪，包括图像分析系统、旋转矢量分析系统、周期分析系统；所述图像分析系统用于绘制简谐振动的正弦函数图像，所述图像分析系统包括展示台、气垫导轨、弹簧振子装置、图像绘制装置，所述气垫导轨通过支架悬空设置于展示台之上，所述弹簧振子装置平行设置于气垫导轨的上方，所述弹簧振子装置包括弹簧和滑块，所述气垫导轨的一端垂直设置一固定件，所述弹簧的一端固定于固定件上，另一端与滑块连接，所述气垫导轨的一侧连接有气泵，所述气泵用于调节气垫导轨的气体流量，使滑块悬浮于气垫导轨上，在外力作用下，弹簧带动滑块沿气垫导轨进行简谐振动；所述图像绘制装置设置于气垫导轨的下方并与弹簧振子装置同步运动，所述滑块的下表面设置有放电针，所述放电针垂直指向图像绘制装置，所述放电针通过导线连接有电磁打点计时器，在图像绘制装置与滑块同步运动的过程中，放电针在图像绘制装置上绘制出滑块简谐振动的正弦函数图像；所述旋转矢量分析系统用于对弹簧振子装置的简谐振动进行旋转矢量分析，所述旋转矢量分析系统包括承光板、圆形转盘、直流电机以及挡光片组件，所述承光板垂直设置于展示台上，且圆形转盘、气垫导轨位于承光板的同一侧，所述圆形转盘通过高度调节装置设置于展示台的表面，所述直流电机设置在圆形转盘内部且与圆形转盘的转轴同轴连接，所述挡光片组件包括挡光片A和挡光片B，其中挡光片A相切设置于圆形转盘的边缘，挡光片B设置于滑块的边缘；所述周期分析系统包括由光电门和数字计时器组成的计时装置，所述计时装置设置有两套，其中，一个光电门设置于挡光片A的运动轨迹上，另一个光电门设置于挡光片B的运动轨迹上，分别用于记录圆形转盘的转动周期和滑块的振动周期。具体地，所述图像绘制装置包括纸带、碳粉盒、碾纸胶辊，所述碾纸胶辊设有两根，两根所述碾纸胶辊由减速电机驱动，所述纸带环绕于两根碾纸胶辊之间，在减速电机的驱动下，两根碾纸胶辊带动纸带匀速运动，所述碳粉盒设置于纸带的下方。进一步地，该简谐振动演示仪还包括同时与两个所述数字计时器连接的同步控制器连接，所述同步控制器同时与减速电机、直流电机电性连接。作为优选地，所述两根碾纸胶辊分别设置于气垫导轨的两侧，且碾纸胶辊与展示台之间留有间隙。作为优选地，所述滑块上设置有用于添加砝码的挂接件，通过增加砝码改变滑块的质量。再进一步地，该简谐振动演示仪还包括平行光源，所述平行光源设置于圆形转盘的前方，且平行光源、挡光片A、挡光片B三者位于同一水平高度。作为优选地，所述气垫导轨的长度不小于圆形转盘的直径。作为优选地，所述数字计时器的型号为J。作为优选地，所述平行光源选用磁吸式平行激光光源。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术是一种综合性强、准确可靠的实验仪器，结合数字计时器与打点计时器，定量研究简谐振动，通过调节气垫导轨的气体流量，产生理想的简谐振动；利用平行关光源，准确、直观的利用旋转矢量法对简谐振动进行分析；通过打点周期以及纸带上打点图形分布，计算并验证振动周期是否与数字计时器记录周期自洽；本专利技术的简谐振动演示仪不仅可以定性演示简谐振动的运动图像以及简谐振动的旋转矢量分析法，还能定量计算出简谐振动的周期，以及定量讨论影响简谐振动周期的物理参量。附图说明图1是现有教学中常用的简谐振动演示仪的整体结构示意图。图2是本专利技术一种新型简谐振动演示仪的整体结构示意图。图3是本专利技术一种新型简谐振动演示仪中图像绘制装置的结构示意图。图4是旋转矢量法的原理图。图5是本专利技术的系统控制图。附图中部分零部件名称为：110-展示台、120-气垫导轨、121-固定件、122-气泵、130-弹簧振子装置、131-弹簧、132-滑块、133-挂接件、140-图像绘制装置、141-纸带、143-碾纸胶辊、144-转轴、145-减速电机、146-皮带轮、147-皮带、150-支架、160-放电针、170-电磁打点计时器、210-承光板、220-圆形转盘、231-挡光片A、232-挡光片B、-直流电机、310-光电门、320-数字计时器、330-同步控制器。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例：如图2至图5所示，一种简谐振动演示仪，包括图像分析系统、旋转矢量分析系统、周期分析系统；其中图像分析系统用于绘制简谐振动的正弦函数图像，旋转矢量分析系统用于对简谐振动进行旋转矢量分析，周期分析系统用于精确计算简谐振动的运动周期。图像分析系统包括展示台110、气垫导轨120、弹簧振子装置130、图像绘制装置140，所述气垫导轨120通过支架150悬空设置于展示台110之上，所述弹簧振子装置130平行设置于气垫导轨120的上方，所述弹簧振子装置130包括弹簧131和滑块132，所述气垫导轨120的一端垂直设置一固定件121，所述弹簧131的一端固定于固定件121上，弹簧131的伸长或压缩方向与气垫导轨120平行，弹簧131的另一端连接滑块132；所述气垫导轨120的一侧连接有气泵122，通过气泵122调节气垫导轨120的气体流量，使滑块132悬浮于气垫导轨120上，在外力作用下，弹簧131带动滑块132沿气垫导轨120本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型简谐振动演示仪，其特征在于:包括图像分析系统、旋转矢量分析系统、周期分析系统；所述图像分析系统用于绘制简谐振动的正弦函数图像，所述图像分析系统包括展示台(110)、气垫导轨(120)、弹簧振子装置(130)、图像绘制装置(140)，所述气垫导轨(120)通过支架(150)悬空设置于展示台(110)之上，所述弹簧振子装置(130)平行设置于气垫导轨(120)的上方，所述弹簧振子装置(130)包括弹簧(131)和滑块(132)，所述气垫导轨(120)的一端垂直设置一固定件(121)，所述弹簧(131)的一端固定于固定件(121)上，另一端与滑块(132)连接，所述气垫导轨(120)的一侧连接有气泵(122)，所述气泵(122)用于调节气垫导轨(120)的气体流量，使滑块(132)悬浮于气垫导轨(120)上；在外力作用下，弹簧(131)带动滑块(132)沿气垫导轨(120)进行简谐振动；所述图像绘制装置(140)设置于气垫导轨(120)的下方并与弹簧振子装置(130)同步运动，所述滑块(132)的下表面设置有放电针(160)，所述放电针(160)垂直指向图像绘制装置(140)，所述放电针(160)通过导线连接有电磁打点计时器(170)；所述旋转矢量分析系统用于对弹簧振子装置(130)的简谐振动进行旋转矢量分析，所述旋转矢量分析系统包括承光板(210)、圆形转盘(220)、直流电机以及挡光片组件，所述承光板(210)垂直设置于展示台(110)上，且圆形转盘(220)、气垫导轨(120)位于承光板(210)的同一侧，所述圆形转盘(220)通过高度调节装置设置于展示台(110)的表面，所述直流电机设置在圆形转盘(220)内部且与圆形转盘(220)的转轴同轴连接，所述挡光片组件包括挡光片A(231)和挡光片B(232)，其中挡光片A(231)相切设置于圆形转盘(220)的边缘，挡光片B(232)设置于滑块(132)的边缘；所述周期分析系统包括由光电门(310)和数字计时器(320)组成的计时装置，所述计时装置设置有两套，其中，一个光电门(310)设置于挡光片A(231)的运动轨迹上，另一个光电门(310)设置于挡光片B(232)的运动轨迹上，分别用于记录圆形转盘(220)的转动周期和滑块(132)的振动周期。...

【技术特征摘要】
1.一种新型简谐振动演示仪，其特征在于:包括图像分析系统、旋转矢量分析系统、周期分析系统；所述图像分析系统用于绘制简谐振动的正弦函数图像，所述图像分析系统包括展示台(110)、气垫导轨(120)、弹簧振子装置(130)、图像绘制装置(140)，所述气垫导轨(120)通过支架(150)悬空设置于展示台(110)之上，所述弹簧振子装置(130)平行设置于气垫导轨(120)的上方，所述弹簧振子装置(130)包括弹簧(131)和滑块(132)，所述气垫导轨(120)的一端垂直设置一固定件(121)，所述弹簧(131)的一端固定于固定件(121)上，另一端与滑块(132)连接，所述气垫导轨(120)的一侧连接有气泵(122)，所述气泵(122)用于调节气垫导轨(120)的气体流量，使滑块(132)悬浮于气垫导轨(120)上；在外力作用下，弹簧(131)带动滑块(132)沿气垫导轨(120)进行简谐振动；所述图像绘制装置(140)设置于气垫导轨(120)的下方并与弹簧振子装置(130)同步运动，所述滑块(132)的下表面设置有放电针(160)，所述放电针(160)垂直指向图像绘制装置(140)，所述放电针(160)通过导线连接有电磁打点计时器(170)；所述旋转矢量分析系统用于对弹簧振子装置(130)的简谐振动进行旋转矢量分析，所述旋转矢量分析系统包括承光板(210)、圆形转盘(220)、直流电机以及挡光片组件，所述承光板(210)垂直设置于展示台(110)上，且圆形转盘(220)、气垫导轨(120)位于承光板(210)的同一侧，所述圆形转盘(220)通过高度调节装置设置于展示台(110)的表面，所述直流电机设置在圆形转盘(220)内部且与圆形转盘(220)的转轴同轴连接，所述挡光片组件包括挡光片A(231)和挡光片B(232)，其中挡光片A(231)相切设置于圆形转盘(220)的边缘，挡光片B(232)设置于滑块(132)的边缘；所述周期分析系统包括由光电门(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰小刚，罗皓月，
申请(专利权)人：西华师范大学，
类型：发明
国别省市：四川,51