弦振动实验的改进

弦振动实验的改进 学生园地 弦振动实验的改进 郑伟佳 ,李俊科 ,杨丽娜 ,李丹丹 ,邓伟胤 ,周晓明 () 华南理工大学 理学院 ,广东 广州 510640摘 要 :分析了弦音计实验在精确度及操作性上存在的不足 ,对实验做了以下改进 :将水平仪的水准器直接安装在 弦音计的杠杆中 ,将接收线圈放在适当位置 ,利用单片机直接读取共振频率 . 通过改进实验精确度更高 ,操作更快捷 . 关键词 :弦振动 ;共振 ;波腹 () 文章编号 :100524642 20110220043204 中图分类号 :O321 文献标识码 : A 平仪之后会影响调节好了的杠杆的水平. 原装置所存在的问题1 ) 2波腹数 n 判断不便 在研究弦共振频率与 弦振动实验是大学物理实验中的一个必做实 波腹数关系的过程中 , 基本的 必须从较小的振源频率开始调节 , 缓慢增加振源验 ,而弦音计是研究弦振动的实验仪器 . [ 122 ] 频率 , 来测定 n = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 时 , 分别对应的弦共实验原理是 : 振频率 ; 况且在实际操作中 , 当 n 值较大 n > 2 ( ) T n f = , μ 2 L时 , 很难准确观察判断 n 等于多少 . 所以整个实 μ 其中 f 为弦的振动频率 ,为弦的线密度 , T 为弦验的操作就很不方便 . ) 的张力 , L 为弦长 , n 为波腹数 .3共振频率 f 的测量困难 原实验是通过缓与电子音叉相比 , 弦音计既可方便地改变弦 慢改变信号发生器的输出频 率 , 促使弦线发生共振 , 并以此时的驱动频率作为 μ的张力 T 及长度 L , 又可改变弦线的密度 , 还可 弦的共振频率 . 依据弦振动振幅的大小以及弦振 改变振源的频率. 弦音计结构如图 1 所示. 动时所引发的声音大小来判断弦是否处于共振状 态 . 然而经多次实验发现 , 这个过程是很难精确 把握的. 所以将弦线调到共振状态比较困难 . 改进方法2 针对以上问题 , 经过长时间的仔细分析以及 实验验证 , 提出了以下几点改进方法. 图 1 弦音计及其附件 2 . 1 杠杆水平问题 将水平仪的水准器直接安装在弦音计的杠杆 根据学生的反映以及多次的实验 , 发现了如 中 , 这样既方便测量又可消除水平仪本身重量对 下主要问题 : ) 1水平问题 张力杠杆的水平是做好本实验杠杆水平的影响 , 使得实验的测量更精确 . 如图 2 所示.的必要条件 , 只有确保杠杆水平 , 才能使弦上的张力精确地等2 . 2 组合逻辑电路设计 于砝码的重力 . 原实验在调节杠杆水平时 , 首先 ( 将 3 个接收线圈放置在适当的位置 如弦长要将水平仪放在杠杆上 , 调节好之后再将其拿下 . 60 cm ,最邻近的四等分点和五等分点的中点处放这个操作过程不仅比较麻烦 , 更重要的是取下水 1 个 ,记为 A ,在中点处放 1 个 ,记为 B ,三等分点 收稿日期 :2010205212 ;修改日期 :2010208220 () 作者简介 :郑伟佳 1988 - ,男 ,广东广州人 ,华南理工大学理学院应用物理专业 2007 年级 六年级体育公开课教案九年级家长会课件PPT下载六年级家长会PPT课件一年级上册汉语拼音练习题六年级上册道德与法治课件 本科生 . () 通讯作者 :周晓明 1963 - ,男 ,湖南衡阳人 ,华南理工大学理学院教授 ,主要从事物理实验教学与电磁场理论研究 . ) 处放 1 个 ,记为 C,先通过多次实验确定在弦共 振时 ,3 个点的振幅大小与 n 的关系 , 从而设定各 个点高低电平的阈值 , 根据数字电路的原理 , 采用 正逻辑 , 即高电平为逻辑 1 , 低电平为逻辑 0 , 得到 3 个接收线圈的输出电平与 n 的对应关系 ,如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 所示. 图 3 通过灯亮判断 n 值原理图 () a原来的水平仪是放在杠杆上 () an = 1 ( ) b改进后水平仪镶在杠杆上 图 2 水平仪的改进 ( ) bn = 2 表 1 线圈输出电平与 n 的关系 输出电平 n A B C 1 1 1 1 1 0 1 2 1 1 0 3 0 0 1 4 () cn = 3 0 1 1 5 根据以上关系 ,进行组合逻辑电路的设计 ,接 收线圈作为组合逻辑电路的输入端 ,输出端接发 光二极管 ,根据发光二极管的明暗情况来判断 n () 的值 图 3. 经过多次实验观察得知 ,在未达到共 ( ) dn = 4 振时 ,弦上的振幅是极小的 ,此时接收线圈的输出 电平并未达到所设定的高电平阈值 ,二极管不会 发光. 因此不需按原实验要求 ,从较小的驱动频 率开始逐渐增大驱动频率来使弦共振 ,而是可以 从任意频率开始 ,快速使弦达到共振并直接读出 n 值 . 共振时弦振动幅度与 n 值的定性关系如图 4 所示 , 在 L = 13 . 5 , 30 , 40 cm 处分别放接收线圈() en = 5 图 4 不同 n 值 3 个探头处的弦振动 A ,B ,C. 第 2 期 郑伟佳 ,等 :弦振动实验的改进 45 2 . 3 设计单片机模块直接读取频率 f设计出合放大和滤波两大功能于一体的信号处理 电路如图 6 所示.弦在振动的同时 , 会在空气中引起压缩伸展 , 产生机械波 , 因此 , 用普通的电容式压力传感器 , 配上合适的放大滤波电路 , 便可以把变化的空气 压力转化成可以测量的电信号 , 通过单片机对信 号进行辨 别 和 计 算 , 便 可 得 出 弦 的 振 荡 频 率 f . 原理图如图 5 所示 . 2 . 3 . 1 放大滤波电路分析 通过实验数据和对压 图 5 单片机模块直接读取频率 f 原理图 力传感器性能的评估 , 图 6 信号处理电路 电路的输入端接入压力传感器的输出端 . 模拟信号转换成数字信号 : 用滞回比较的方 为了把微小的电压信号放大成单片机可以接 法达到第 4 次放大和 A/ D 转换的功能 . 在第 3 收的数字信号 , 需要对信号进行放大 、筛选和转 级放大电路输出的电压信号变化超过 5 mV 时 , 换. 电路的核心部分是比例放大电路 、滤波电路 滞回比较器就能检测出来 . 因此 ,在原始信号频 及滞回比较器.率为 10 Hz 时 , 只 要 输 入 的 电 压 信 号 幅 度 大 于 μ放大性能 : 经 试 验 测 定 , 当 信 号 振 荡 的 频 率65 V ,电路就可以把它转化成 ?5 V 的 方波 输 f = 20 Hz , 输入信号电压 V = 22 . 4 mV 时 , V =出 ,大大拓展了电路的测量范围. 并且 ,输出的方 i 01 . 2 mV , V = 73 . 0 mV , V = 864 . 5 mV . 26 波信号为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的数字信号 ,可直接输入单片机中 , 02 03 由此 ( 得各级电路的放大倍数 比例运算电路的放大倍 无需再作 A/ D 转换 . 数可调 , 放大倍数最大可达 100 倍以上 , 实际使用2 . 3 . 2 单片机系统搭建 ) 时视 输 入 信 号 强 弱 而 定 为 A = 1 . 169 , A = 本次设计选用选定 A t mel 公司的 A T89C51 1 2 2 . 79 , A = 11 . 84 , A = 40 .3 单片机. 设定 A T89C51 单片机的时钟振荡频率 选频特性 :除具有放大功能外 , 信号处理电路 为 11 . 059 2 M Hz ,74 H C573 为通用锁存器 . 还有优异的选频功能 , 可有效过滤 500 Hz 以上的 系统搭建完成后 ,选用 50 Hz 的方波信号对噪音信号 . 以下是二阶低通有源滤波电路. 单片机模块进行测试时 ,得到图 7 的模拟结果. 图 7 单片机模拟结果 广州 :华南理工大学出版社 ,2005 :1392143 . 参考文献 : [ 2 ] 姚久民 ,田广志 ,祝玉华 . 用频谱分析法分析弦振动 () 实验 [J ] . 物理实验 ,2009 ,29 12:34237 . [ 1 ] 倪 新 蕾 , 梁 海 生 , 吴 纯 英 , 等 . 大 学 物 理 实 验 [ M ] . Improvement on string vibration experiment Z H EN G Wei2jia , L I J u n2ke , YA N G L i2na , L I Da n2da n , D EN G Wei2yi n , Z HO U Xiao2mi ng ( )Facult y of Scie nce , So ut h Chi na U niver sit y of Tech nolo gy , Gua ngzho u 510640 , Chi na Abstract : Thro ugh t he a nal ysi s of t he deficie ncy i n t he e xp eri me nt of st ri ng vi bratio n , t he e xp eri2 me nt wa s i mp ro ve d. Fo r e xa mp le , t he wat er level ga uge wa s set up o n t he leve r of t he so no met e r , t he receivi ng coil wa s p rop erl y p lace d a nd t he re so na nce f reque ncy wa s reco r de d by si ngle c hip p roce sso r . The acc uracy a nd op e ra bilit y of t he i mp ro ve d e xp e ri me nt we re i ncrea sed. Key words : st ri ng vi bratio n ; re so na nce ; a nti no de [ 责任编辑 :郭 伟 ]