專利名稱：利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置及測量方法，確切地說，涉及一種利用小磁鋼耦合的多單擺物理實(shí)驗(yàn)裝置與測量方法，屬于高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
17世紀(jì)，物理學(xué)家惠更斯觀察到下述現(xiàn)象通過橫梁連接在一起的兩個等長鐘擺，在以穩(wěn)定的相反趨勢運(yùn)動時，如果沒有或不考慮能量的損失，這種運(yùn)動將一直持續(xù)下去?；莞箤⑦@種穩(wěn)定的運(yùn)動叫做同步，并將同步的原因歸結(jié)為有輕微運(yùn)動的橫梁。正是橫梁的輕微運(yùn)動，才使兩個鐘擺之間建立起動力學(xué)聯(lián)系，最終達(dá)到同步。而且，這種聯(lián)系是決定一個動力學(xué)系統(tǒng)能否達(dá)到同步的關(guān)鍵——稱合。但是，目前在國內(nèi)的大學(xué)物理專業(yè)的本科生實(shí)驗(yàn)中，這類實(shí)驗(yàn)基本都局限在演示實(shí)驗(yàn)的范圍內(nèi)，并沒有安排大學(xué)生參與定量地研究相關(guān)的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，其根本原因是缺乏適當(dāng)?shù)鸟詈蠈?shí)驗(yàn)裝置和定量測量的手段。因此，這類實(shí)驗(yàn)只能采用直接觀察的方式，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也比較簡單，很難給大學(xué)生留下深刻的印象，教學(xué)效果一般。而細(xì)致、系統(tǒng)的同步研究都局限在科研領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備大多比較昂貴，不適合給大學(xué)本科生開設(shè)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置及其測量方法，本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置巧妙地將結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作容易的小磁鋼作為耦合器件和耦合方式，既能成功地實(shí)現(xiàn)耦合，還能利用該實(shí)驗(yàn)裝置直接觀察、測量和研究更加復(fù)雜的動力學(xué)行為。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置，是在耦合擺球共振演示儀的基礎(chǔ)上，增設(shè)小磁鋼、步進(jìn)電機(jī)及其控制器、數(shù)字?jǐn)z像裝置和PC機(jī)所構(gòu)成的；其特征在于該實(shí)驗(yàn)裝置保留了耦合擺球共振演示儀的下述構(gòu)件兩個三角形支架，安裝在三角形支架上的、能作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)軸及其軸承，等間隔排列在旋轉(zhuǎn)軸上的兩個或兩個以上的軸套，以及懸掛于每個軸套下方的一個單擺；該儀器的旋轉(zhuǎn)軸一端原有的驅(qū)動重?cái)[被拆除，改為固聯(lián)一個步進(jìn)電機(jī)，并用控制器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過旋轉(zhuǎn)軸與軸套之間的摩擦帶動軸套下方的單擺擺動；每個軸套上都吸附數(shù)量相同的一個或多個小磁鋼，且相鄰軸套上的小磁鋼相互吸引，使得相鄰的單擺運(yùn)動時互相影響，實(shí)現(xiàn)單擺之間的耦合；且通過改變軸套上的小磁鋼數(shù)量能夠調(diào)節(jié)耦合的強(qiáng)度；數(shù)字?jǐn)z像裝置位于三角形支架外側(cè)，能夠同時持續(xù)拍攝多個單擺的運(yùn)動圖像，并將拍攝圖像送入PC機(jī)存儲、處理，以供實(shí)時計(jì)算和記錄耦合單擺的包括運(yùn)動軌跡、振幅和頻率的各種參數(shù)；再用軟件自動識別各個擺球，計(jì)算并顯示其位置、運(yùn)動速度等信息，并將各個擺球的運(yùn)動軌跡保存到文件中，以供后期詳細(xì)分析和處理。所述小磁鋼的外徑為6 15mm，厚度為2 8mm，重量小于120克；且吸附在軸套的小磁鋼的數(shù)量能夠在0 6個之間調(diào)整，以精確地改變耦合強(qiáng)度。所述多個單擺之間的間隔距離是采用C型卡簧將軸套固定在旋轉(zhuǎn)軸上，以防止其在轉(zhuǎn)動時左右滑動。所述軸套上放置的多個小磁鋼能夠被鑲嵌在該軸套外側(cè)的環(huán)形磁鋼所替代；所述旋轉(zhuǎn)軸的材質(zhì)為不銹鋼，或者非鐵磁性的金屬與非金屬材料。所述步進(jìn)電機(jī)的控制器用于控制該步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)范圍。所述多個單擺的擺球都被涂上不同顏色，以使數(shù)字?jǐn)z像裝置容易識別，提高測量精度；所述耦合擺球共振演示儀為中國長春市長城教學(xué)儀器有限公司的產(chǎn)品。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了一種利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行耦合單擺實(shí)驗(yàn)的方法，其特征在于，所述方法包括下列操作步驟；(1)初始化準(zhǔn)備操作將多個單擺按照設(shè)定的實(shí)驗(yàn)要求依次排列穿套在旋轉(zhuǎn)軸上，并用C型卡簧固定軸套的位置，保持各個單擺之間的間隔距離；啟動數(shù)字?jǐn)z像裝置和PC機(jī)，當(dāng)兩者正常工作后，將數(shù)字?jǐn)z像裝置的攝像頭對準(zhǔn)耦合單擺，使得各個擺球的穩(wěn)定位置位于PC機(jī)的顯示屏中央；將步進(jìn)電機(jī)及其控制器的電源連接直流穩(wěn)壓電源的輸出端，開啟電源并緩慢地將其輸出電流從零調(diào)節(jié)至工作電流，使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；將各個單擺從設(shè)定的實(shí)驗(yàn)初始相位開始運(yùn)動，數(shù)字?jǐn)z像裝置同時開始采集和存儲各個單擺的運(yùn)動圖像；直至各個單擺都處于穩(wěn)定狀態(tài)后，數(shù)字?jǐn)z像裝置停止圖像采集，由 PC機(jī)保存相關(guān)實(shí)驗(yàn)圖像與數(shù)據(jù)。(2)進(jìn)行耦合單擺實(shí)驗(yàn)的操作調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動頻率至設(shè)定的實(shí)驗(yàn)驅(qū)動頻率；將各個單擺從設(shè)定的實(shí)驗(yàn)初始相位開始運(yùn)動，數(shù)字?jǐn)z像裝置同時開始采集和存儲各個單擺的運(yùn)動圖像；直至各個單擺都處于穩(wěn)定狀態(tài)后，數(shù)字?jǐn)z像裝置停止圖像采集，由 PC機(jī)保存相關(guān)實(shí)驗(yàn)圖像與數(shù)據(jù)(即擺球的運(yùn)動軌跡)，并根據(jù)擺球的運(yùn)動軌跡計(jì)算系統(tǒng)穩(wěn)定后的振幅和相位差。所述步驟(2)進(jìn)一步包括下列供選擇的實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容(2A)改變驅(qū)動頻率，逐點(diǎn)記錄不同驅(qū)動頻率下各個耦合單擺處于穩(wěn)定狀態(tài)后的振幅和相位差，以研究耦合單擺的幅頻特性和相頻特性；(2B)增加或減少位于軸套上小磁鋼的數(shù)量，觀察和分析磁場耦合強(qiáng)度生改變后， 各個耦合單擺的幅頻特性和相頻特性；(2C)由低到高或由高到低地改變驅(qū)動頻率，分別觀察和分析在驅(qū)動頻率發(fā)生相應(yīng)變化的過程中，耦合單擺所呈現(xiàn)的各種同步形式；(2D)改變各個耦合單擺的擺線長度，觀察和分析不同擺長的耦合單擺的各種不同的同步現(xiàn)象；(2E)改變各個耦合單擺的間隔距離和/或排列順序，觀察和分析不同間隔距離和 /或排列順序的耦合單擺的各種不同的同步現(xiàn)象，以及其對同步所需時間的影響；所述步驟QC)中，各種同步形式是同步一相同步一反相同步一相同步一同步。本發(fā)明利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置的組成結(jié)構(gòu)非常簡單，它是利用了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行改造而實(shí)現(xiàn)的，且改造所用的元器件和結(jié)構(gòu)也很容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)的操作步驟也很容易掌握。但是該實(shí)驗(yàn)裝置能夠利用簡單的設(shè)備展示出耦合系統(tǒng)豐富的動力學(xué)行為。而且，與目前所見到的耦合結(jié)構(gòu)與方式相比較，本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置耦合的方式非常簡單、 便利，操作方便，易于推廣。再者，通過在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛使用，容易提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能夠更好地啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此，本發(fā)明在高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有很好的推廣和應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖2 (A)、⑶、(C)、⑶分別是本發(fā)明利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置的搭建過程相關(guān)步驟示意圖。圖3㈧ (E)分別是本發(fā)明兩個不同耦合單擺的同步狀態(tài)隨驅(qū)動頻率的變化圖 (李薩如圖)，圖(F)為這兩個單擺的相位差-頻率特性曲線。圖4(A)、⑶、(C)分別是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置中的兩個不同擺長的單擺在未加耦合、 兩對小磁鋼的耦合和三對小磁鋼的耦合時的幅頻特性曲線圖。圖5 (A)、⑶、(C)、⑶分別是本發(fā)明三個不同擺長的單擺在兩對小磁鋼耦合時， 處于“123”排列，“213”排列和“132”排列時的幅頻特性曲線圖和無耦合時的幅頻特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。本發(fā)明利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置是基于市場上銷售的耦合擺球共振演示儀(中國長春市長城教學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的EXL-39型)的基礎(chǔ)上，增設(shè)小磁鋼、步進(jìn)電機(jī)及其控制器進(jìn)行改造，研究驅(qū)動單擺系統(tǒng)的同步，再配設(shè)數(shù)字?jǐn)z像裝置和PC，機(jī)用于方便地?cái)z取耦合同步現(xiàn)象的觀測與數(shù)據(jù)的記錄和分析處理。參見圖1 圖2，介紹本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)組成及其搭建過程其保留了耦合擺球共振演示儀的下述構(gòu)件兩個三角形支架2，安裝在三角形支架2上的、能作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的一個旋轉(zhuǎn)軸1及軸承，在旋轉(zhuǎn)軸1上等間隔地排列的多個軸套3，每個軸套3可在旋轉(zhuǎn)軸1 的摩擦力作用下轉(zhuǎn)動，每個軸套3的下部小孔上都通過擺線5連接一個擺球6，構(gòu)成一個單擺。該裝置的旋轉(zhuǎn)軸1的一端不再連接原來的驅(qū)動重?cái)[，而是與步進(jìn)電機(jī)7的輸出軸固聯(lián)為一體，以便步進(jìn)電機(jī)7能夠帶動旋轉(zhuǎn)軸1轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過旋轉(zhuǎn)軸1與軸套3之間的摩擦驅(qū)動擺球6運(yùn)動。其中的三角形支架2能夠保證實(shí)驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性，同時方便數(shù)字?jǐn)z像裝置的安裝和能夠同時持續(xù)拍攝多個單擺的運(yùn)動圖像，并將拍攝圖像送入PC機(jī)存儲、處理。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)特征的關(guān)鍵是在每個軸套3上都吸附數(shù)量相同的1個或多個小磁鋼4，且相鄰軸套3上的小磁鋼4的磁極NS是相對的(參見圖2 (A))，以使相鄰軸套上的小磁鋼4之間產(chǎn)生吸引力，使得彼此相鄰的單擺運(yùn)動時互相影響，從而實(shí)現(xiàn)單擺之間的耦合。多個單擺之間的間隔距離是采用C型卡簧將軸套3固定在旋轉(zhuǎn)軸1上，防止其在轉(zhuǎn)動時左右滑動。
本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置中的小磁鋼的外徑為Φ6 15mm，厚度δ = 2 8mm，其重量小于120克；且吸附在軸套的小磁鋼的數(shù)量能夠在0 6個之間調(diào)整，以精確地改變耦合強(qiáng)度 (后面的實(shí)施例對此詳述，參見表1)。步進(jìn)電機(jī)7的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角度的范圍都能夠通過其控制信號進(jìn)行調(diào)節(jié)的(參見圖 2⑶)。參見圖2 (C)，多個單擺的擺球6都被涂上不同的顏色，以使數(shù)字?jǐn)z像裝置容易識別，有利于準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)z像裝置8位于支架2的外側(cè)，直接通過支架2下方空擋拍攝多個單擺的運(yùn)動圖像，并將拍攝圖像送入PC機(jī)(圖1中未示)存儲、處理，以供觀測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖2(c)是攝像裝置實(shí)時輸出的視頻圖像示意圖，圖2(D)是PC機(jī)的顯示屏實(shí)時顯示的3個擺球的運(yùn)動時序示意圖。需要說明的是，本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置中的軸套3上放置的多個小磁鋼4能夠被鑲嵌在軸套3外側(cè)的環(huán)形磁鋼所替代。下面結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例試驗(yàn)介紹該實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法申請人:在本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多種不同擺長單擺的耦合同步實(shí)驗(yàn)，研究了不同擺長的單擺組成的振動系統(tǒng)在有驅(qū)動的情況下的同步現(xiàn)象；包括耦合單擺的幅頻特性和相頻特性，耦合強(qiáng)度對耦合單擺的影響，耦合強(qiáng)度與排列順序?qū)Σ坏乳L單擺同步時間的影響等。本發(fā)明利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行耦合單擺實(shí)驗(yàn)的方法，包括下列兩個操作步驟；步驟1，初始化準(zhǔn)備操作將多個單擺按照設(shè)定的實(shí)驗(yàn)要求依次懸掛在軸套上，并用C型卡簧固定軸套之間的距離。啟動數(shù)字?jǐn)z像裝置和PC機(jī)，當(dāng)兩者正常工作后，將數(shù)字?jǐn)z像裝置的攝像頭對準(zhǔn)各個單擺，使得各個單擺的穩(wěn)定位置位于PC機(jī)的顯示屏中央。將步進(jìn)電機(jī)及其控制器的電源連接直流穩(wěn)壓電源的輸出端，開啟電源并緩慢地將其輸出電流從零調(diào)節(jié)至工作電流，使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。步驟2，進(jìn)行耦合單擺實(shí)驗(yàn)的操作調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動頻率至設(shè)定的實(shí)驗(yàn)驅(qū)動頻率。將各個單擺從設(shè)定的實(shí)驗(yàn)初始相位開始運(yùn)動，數(shù)字?jǐn)z像裝置同時開始采集和處理各個單擺的運(yùn)動圖像；直至耦合單擺都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，數(shù)字?jǐn)z像裝置停止圖像采集，由 PC機(jī)保存相關(guān)實(shí)驗(yàn)圖像與數(shù)據(jù)(即擺球的運(yùn)動軌跡)，并根據(jù)擺球的運(yùn)動軌跡計(jì)算系統(tǒng)穩(wěn)定后的振幅和相位差。本發(fā)明的步驟( 進(jìn)一步包括下列供選擇的實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容(2A)改變驅(qū)動頻率，逐點(diǎn)記錄不同驅(qū)動頻率下各個耦合單擺處于穩(wěn)定狀態(tài)后的振幅和相位差，研究耦合單擺的幅頻特性和相頻特性。(2B)增加或減少位于軸套上小磁鋼的數(shù)量，觀察和分析磁場耦合強(qiáng)度發(fā)生改變后，對耦合單擺的幅頻特性和相頻特性的影響。(2C)由低到高或由高到低地改變驅(qū)動頻率，分別觀察和分析在驅(qū)動頻率發(fā)生相應(yīng)變化的過程中，耦合單擺所呈現(xiàn)的各種同步形式；該步驟中的各種同步形式是同步一相同步一反相同步一相同步一同步。(2D)改變各個耦合單擺的擺線長度，觀察和分析不同擺長的耦合單擺的各種不同的同步現(xiàn)象。(2E)改變各個耦合單擺的間隔距離和/或排列順序，觀察和分析不同間隔距離和 /或排列順序的耦合單擺的各種不同的同步現(xiàn)象，以及其對同步所需時間的影響；從上述步驟2可見利用本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置可觀察到豐富的動力學(xué)現(xiàn)象調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率由低到高變化時，兩個擺長不同的單擺(擺長I1 = 275mm和I2 = 245mm)組成的振動系統(tǒng)會呈現(xiàn)不同的同步形式(參見圖3所示)同步一相同步一反相同步一相同步一同步。 圖3中的橫坐標(biāo)9工與縱坐標(biāo)θ 2分別為兩個單擺的擺動角度，實(shí)心點(diǎn)和空心點(diǎn)分別代表單擺運(yùn)動的穩(wěn)定狀態(tài)和暫態(tài)。圖3(A) (E)為這兩個單擺的李薩如圖，其驅(qū)動頻率為(Α) ω = 3. 79rad/s, (B) ω = 5. 88rad/s, (C) ω = 5. 98rad/s, (D) ω = 6. 05rad/s, (E) ω = 7. 94rad/s, (F)兩個單擺的相位差-頻率特性曲線。下面介紹本發(fā)明實(shí)施例中的實(shí)施試驗(yàn)結(jié)果情況和分析(一 )耦合強(qiáng)度對單擺幅頻特性曲線的影響利用本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置，對兩個不同單擺的幅頻特性曲線進(jìn)行探究，并將其與不加耦合磁鋼時的幅頻特性曲線進(jìn)行對比的結(jié)果，如圖5所示。參見圖4，擺長分別為I1 = 275mm和I2 = 245mm的兩個單擺的幅頻特性曲線.其中(A)是未加耦合，(B)是兩對小磁鋼的耦合，(C)是三對小磁鋼的耦合。通過對這三個幅頻特性曲線的分析，結(jié)合理論模型可以得到如下兩個結(jié)論A，隨著耦合強(qiáng)度的增加，長擺的最大振幅逐漸增加。在無耦合時其最大振幅小于短擺的最大振幅，而在加上耦合后，則大于短擺的最大振幅。B，加入耦合后，單擺的幅頻特性曲線上出現(xiàn)了一個“凹坑”，且“凹坑”位于長單擺的固有頻率附近。另外，耦合使得單擺產(chǎn)生一大一小的兩個共振峰。( 二)不同排列順序?qū)螖[幅頻特性曲線的影響本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置的研究對象為擺長不同的單擺系統(tǒng)，因此系統(tǒng)會對應(yīng)著多種單擺的放置方式，通常將不同的放置方式稱為排列，其中按擺長由短到長分別記為單擺1，單擺 2，...，單擺η。其中選擇擺長分別為235mm、245mm和275mm的三種單擺的排列作為研究對象，探究排列順序?qū)Ψl特性曲線的影響。參見圖5，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)耦合強(qiáng)度相同時，不同排列順序?qū)?yīng)的幅頻特性曲線有著明顯的不同。如排列123中的單擺2的幅頻特性曲線的峰值是最低的，而在排列213中，它的峰值是最高的。而且，在相同排列下的現(xiàn)象和圖4中的結(jié)論也很一致。(三)耦合對單擺的同步時間的影響通過本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置組成的耦合系統(tǒng)還可以探究耦合對同步時間的影響。為此， 對擺長分別為235mm和275mm的兩個單擺，驅(qū)動頻率為4. 4525rad/s在不同耦合強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)同步的時間和狀態(tài)進(jìn)行研究。在150 160s的時間段內(nèi)，添加兩對耦合小磁鋼的系統(tǒng)要比加入一對耦合小磁鋼和未加入耦合小磁鋼的單擺系統(tǒng)先達(dá)到同步。在220 230s的時間段內(nèi)，加入一對耦合小磁鋼的單擺系統(tǒng)也比未加耦合的單擺系統(tǒng)振幅先達(dá)到同步。通過對比現(xiàn)象可得耦合小磁鋼的加入能夠減少達(dá)到穩(wěn)定同步所需的時間。然后，再探討不同排列順序?qū)ν綍r間的影響。下表為3個單擺振動系統(tǒng)不同排列順序時所需的同步時間
三種排列分別為123213132第一次觀察時間(S)160190214第二次觀察時間(S)150187222第三次觀察時間(S)145185225平均時間(S)152187221 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置，是在耦合擺球共振演示儀的基礎(chǔ)上，增設(shè)小磁鋼、步進(jìn)電機(jī)及其控制器、數(shù)字?jǐn)z像裝置和PC機(jī)所構(gòu)成；其特征在于該實(shí)驗(yàn)裝置保留了耦合擺球共振演示儀的下述構(gòu)件兩個三角形支架，安裝在三角形支架上的、能作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)軸及其軸承，等間隔排列在旋轉(zhuǎn)軸上的兩個或兩個以上的軸套，以及懸掛于每個軸套下方的一個單擺；該儀器的旋轉(zhuǎn)軸一端原有的驅(qū)動重?cái)[被拆除，改為固聯(lián)一個步進(jìn)電機(jī)，并用控制器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過旋轉(zhuǎn)軸與軸套之間的摩擦帶動軸套下方的單擺擺動；每個軸套上都吸附數(shù)量相同的一個或多個小磁鋼，且相鄰軸套上的小磁鋼相互吸引，使得相鄰的單擺運(yùn)動時互相影響，實(shí)現(xiàn)單擺之間的耦合；且通過改變軸套上的小磁鋼數(shù)量能夠調(diào)節(jié)耦合的強(qiáng)度；數(shù)字?jǐn)z像裝置位于三角形支架外側(cè)，能夠同時持續(xù)拍攝多個單擺的運(yùn)動圖像，并將拍攝圖像送入PC機(jī)存儲、處理，以供實(shí)時計(jì)算和記錄耦合單擺的包括運(yùn)動軌跡、振幅和頻率的各種參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述小磁鋼的外徑為6 15mm，厚度為2 8mm，重量小于120克；且吸附在軸套的小磁鋼的數(shù)量能夠在0 6個之間調(diào)整，以精確地改變耦合強(qiáng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述多個單擺之間的間隔距離是采用C型卡簧將軸套固定在旋轉(zhuǎn)軸上，以防止其在轉(zhuǎn)動時左右滑動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述軸套上放置的多個小磁鋼能夠被鑲嵌在該軸套外側(cè)的環(huán)形磁鋼所替代；所述旋轉(zhuǎn)軸的材質(zhì)為不銹鋼，或者非鐵磁性的金屬與非金屬材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述步進(jìn)電機(jī)的控制器用于控制該步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述多個單擺的擺球都被涂上不同顏色，以使數(shù)字?jǐn)z像裝置容易識別，提高測量精度；所述耦合擺球共振演示儀為中國長春市長城教學(xué)儀器有限公司的產(chǎn)品。
7.一種利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行耦合單擺實(shí)驗(yàn)的方法，其特征在于， 所述方法包括下列操作步驟；(1)初始化準(zhǔn)備操作將多個單擺按照設(shè)定的實(shí)驗(yàn)要求依次排列在旋轉(zhuǎn)軸的軸套上，并用C型卡簧固定軸套的位置，保持各個單擺之間的間隔距離；啟動數(shù)字?jǐn)z像裝置和PC機(jī)，當(dāng)兩者正常工作后，將數(shù)字?jǐn)z像裝置的攝像頭對準(zhǔn)耦合單擺，使得各個擺球的穩(wěn)定位置位于PC機(jī)的顯示屏中央；將步進(jìn)電機(jī)及其控制器的電源連接直流穩(wěn)壓電源的輸出端，開啟電源并緩慢地將其輸出電流從零調(diào)節(jié)至工作電流，使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；(2)進(jìn)行耦合單擺實(shí)驗(yàn)的操作調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動頻率至設(shè)定的實(shí)驗(yàn)驅(qū)動頻率；將各個單擺從設(shè)定的實(shí)驗(yàn)初始相位開始運(yùn)動，數(shù)字?jǐn)z像裝置同時開始采集和存儲各個單擺的運(yùn)動圖像；直至各個單擺都處于穩(wěn)定狀態(tài)后，數(shù)字?jǐn)z像裝置停止圖像采集，由PC機(jī)保存相關(guān)實(shí)驗(yàn)圖像與數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述步驟( 進(jìn)一步包括下列供選擇的實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容(2A)改變驅(qū)動頻率，逐點(diǎn)記錄不同驅(qū)動頻率下各個耦合單擺處于穩(wěn)定狀態(tài)后的振幅和相位差，以研究耦合單擺的幅頻特性和相頻特性；(2B)增加或減少位于軸套上的小磁鋼數(shù)量，觀察和分析磁場耦合強(qiáng)度發(fā)生改變后，各個耦合單擺的幅頻特性和相頻特性；(2C)由低到高或由高到低地改變驅(qū)動頻率，分別觀察和分析在驅(qū)動頻率發(fā)生相應(yīng)變化的過程中，耦合單擺所呈現(xiàn)的各種同步形式；(2D)改變各個耦合單擺的擺線長度，觀察和分析不同擺長的耦合單擺的各種不同的同步現(xiàn)象；(2E)改變各個耦合單擺的間隔距離和/或排列順序，觀察和分析不同間隔距離和/或排列順序的耦合單擺的各種不同的同步現(xiàn)象，以及其對同步所需時間的影響。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于所述步驟QC)中，各種同步形式是 同步一相同步一反相同步一相同步一同步。
全文摘要
一種利用小磁鋼建立的耦合單擺實(shí)驗(yàn)裝置及測量方法，該裝置基于現(xiàn)有儀器改造而成，設(shè)有三角形支架，旋轉(zhuǎn)軸及軸承，等間隔排列在旋轉(zhuǎn)軸上的多個軸套，每個軸套下懸掛一個單擺。旋轉(zhuǎn)軸的一端固聯(lián)一個步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)，并能帶動旋轉(zhuǎn)軸在設(shè)定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而使各單擺作受迫振動；每個軸套上都吸附一個或多個小磁鋼，且相鄰軸套上的小磁鋼相互吸引，導(dǎo)致各單擺各自運(yùn)動時互相影響，實(shí)現(xiàn)耦合。改變小磁鋼數(shù)量，可以改變耦合強(qiáng)度。數(shù)字?jǐn)z像裝置可同時連續(xù)拍攝和處理多個單擺的運(yùn)動圖像，并通過PC機(jī)實(shí)時顯示、計(jì)算和記錄耦合單擺的運(yùn)動軌跡、振幅等信息。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作便利，價格便宜，易于推廣。
文檔編號G09B23/10GK102306465SQ20111019279
公開日2012年1月4日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者代瓊琳, 曾靜宜, 李昂, 楊胡江, 肖井華, 蔣達(dá)婭 申請人:北京郵電大學(xué)