利用玻尔共振仪研究受迫振动实验中的若干问题讨论

发布时间：2021-10-07 17:54

　　在玻尔共振仪研究受迫振动实验中,先针对实验仪器的三个设计巧妙的地方（周期与振幅的测量,阻尼的产生,相位差的测量）与学生进行讨论。在此基础上,针对学生在实验过程中容易产生的五个问题进行了分析讨论,对学生顺利完成实验,深入理解实验原理和操作目的有一定帮助。 

【文章来源】：大学物理实验. 2020,33(02)

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

玻尔振动仪结构图

首先是摆轮A振动过程中的振幅与周期(频率)的测量。摆轮的外围有一卷槽型缺口，其中一个长形凹槽C比其它凹槽长出许多。机架上对准长型缺口处有一个上下并列的双光电门H，如图2所示，它与电器控制箱相联接，用来测量摆轮的振幅角度值和摆轮的振动周期。摆轮振幅是利用双光电门H的上光电门测出摆轮读数A处圈上凹型缺口个数，并在控制箱液晶显示器上直接显示出此值，精度为1°。摆轮周期是利用双光电门H的下光电门通过检测长形凹槽C来实现测量的。仪器第二个设计巧妙的地方是利用电磁铁产生电磁阻尼实现阻尼振动。仪器可以通过软件控制阻尼线圈内直流电流的大小，达到改变摆轮系统的阻尼系数的目的。

那么在有限的实验学时中，如何合理改变电机的转速呢?实验中不少同学一开始比较盲目地进行调节电机转速。而每次改变了强迫力矩的周期，都需要等待系统稳定(约需两分钟)，等待摆轮和电机的周期相同然后再进行测量。因此，如果在实验操作中没有比较明确的转速调节规划，必将浪费不少实验时间，导致无法在课上完成完整的幅频、相频特性规律的测量。从图3的幅频特性曲线和相频特性曲线中可以看到，对于幅频特性曲线，随着驱动频率的增加，振幅的变化是非单调的，振幅在达到共振极大时开始减小;而对于相频特性曲线，可以看到，随着驱动频率的增加，摆轮和电机之间的相位差是单调变化的。因此，根据随ω单调变化的相频特性曲线，如果在实验中以相位差作为判据，即以监控相位差变化来改变电机的转速将是一个比较直接高效的操作方法。实验中建议学生可先把电机转速调节旋钮调至极小或极大，然后便可单向改变电机转速，电机转速的改变可按照Δφ控制在10°左右。这样的操作使得电机转速调节只要单向改变即可，避免了振幅极大值的寻找以及在共振频率前后电机转速的往返调节，易于学生理解和操作。(3)在确定了“强迫振荡”实验中电机转速的改变可按照Δφ单向改变后，学生在实验中常见的问题是如何选择数据点的分布。实验过程中，相关数据的测量必须根据实验现象或者实验过程的具体特征决定。实验数据的采集应该能够很好地反映实验现象或实验过程的主要特征。根据图3，可以看到，在共振点附近由于曲线变化较大，而受迫振荡中共振现象则是其最重要的特征，所以在共振点附近，建议学生电机转速的改变的数据应该相对密集些。在整个测量过程中，学生可以根据仪器频闪法中相位差刻度盘读数误差不大于2°自行选择Δφ间隔(亦即自行选择电机转速间隔)。

【参考文献】：
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本文编号：3422506