一种竖直纵波驻波实验测量装置及方法与流程

本发明属于光电仪器技术领域，尤其涉及一种竖直纵波驻波实验测量装置及方法。

背景技术：

当两个振幅和频率相同的相干波在同一直线上相向传播时，其所叠加而成的波称为驻波，一维驻波是波干涉中的一种特殊情形。在弦线上出现许多静止点，称为驻波的波节。相邻两波节间的距离为半个波长。观察在弦上形成的驻波，研究弦线振动时驻波波长与张力、频率及弦线密度的关系是当今物理课程中的一个重要内容，也是实验课程中为便于学生理解教学内容的一个不可或缺的实验过程。这一实验在多门学科中，例如力学、声学、光学等学科有着广泛的应用。目前，大多数高校采用横波作为驻波实验装置的波源，用实验的方法确定横波沿弦线传播时，弦线作受迫振动时的共振频率与驻波波长，张力和弦线线密度之间的关系。这一实验方法虽然被广泛采用，但其缺点是仅可观测驻波中的横波现象，而不能呈现在多数情况下为声波的纵波的振动现象。观察可视化的纵波驻波对学生深刻理解驻波有着极大的帮助，但现有的实验方法不能够很好地达到这种效果。现有弦线的驻波演示装置中的拉力大小多是采用了砝码，在演示实验中将弦线的一端连接已知重量的砝码，弦线的另一端固定于振动装置外的实验台面上。利用砝码来获取拉力值，容易因多种因素而产生误差，且数值不能够直观的体现。这是目前通用的试验方法中值得改进的步骤。驻波实验装置分横波与纵波两种类型，横波的驻波装置比较多，纵波的比较少，一般纵波都是声波，没有可视化的驻波结果。怎样观察可视化的纵波驻波，对学生深刻理解驻波有帮助，例如将弹簧一端固定在音叉上，另一端自由下垂，音叉振动后可以观测到驻波现象，但通常会存在波节不明显、波节位置游走不定等问题。已有弹簧纵波演示实验装置由于测量精度低，只能满足定性的演示教学，且存在由于各种因素导致的波节移动等现象，演示效果差，无法进行定量测量。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有驻波实验仪所存在的波节不稳导致驻波波长测量不准的技术问题，提供一种竖直纵波驻波实验测量装置及方法，能够得到稳定的竖直纵波驻波，方便进行演示教学与实验测量教学。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种竖直纵波驻波实验测量装置，包括：支架、底座、拉力传感器、喇叭、音频电流源、刻度尺、金属弹簧、导轨、电源、导线、磁条一、磁条二和直流电流源，其中，支架竖直固定在底座侧面上，拉力传感器通过导轨固定在支架底部并可以在导轨上沿竖直方向滑动与固定，磁条一、磁条二竖直固定在支架上，磁条一与磁条二的北极位于支架的同一端，磁条一与磁条二之间竖直放置金属弹簧，金属弹簧的一端被固定在喇叭的纸盆上，金属弹簧的另一端被固定在拉力传感器的力臂上，喇叭被固定在支架顶部，刻度尺沿竖直方向固定于支架上，方便直接读出金属弹簧的长度，音频电流源、电源、直流电流源固定在底座上，电源通过导线分别与音频电流源、拉力传感器、直流电流源连接，音频电流源通过导线与喇叭连接，直流电流源通过导线与金属弹簧的两端连接。

进一步的，支架是铸铁或钢等刚性材料制成。支架要有一定的强度，能够支撑连接在上面的拉力传感器、磁条、金属弹簧和喇叭等，并且要能够稳固连接在底座上，保证整个装置的稳固。

进一步的，底座是铸铁等金属材料制成。底座要有一定的强度，能够支撑连接在上面的音频电流源、电源、直流电流源等，并且要能够稳固设置在地面或其他地方，保证整个装置的稳固。

进一步的，拉力传感器具有拉力直接显示模块，拉力大小可直接通过数码窗口读出。

进一步的，喇叭的纸盆周边被拿掉，只保留中间部分用于固定金属弹簧。

进一步的，音频电流源可调节音频电流的频率，并带有频率输出数值显示功能。

进一步的，金属弹簧的原始长度在60cm到90cm之间，金属弹簧被喇叭的纸盆与拉力传感器的力臂固定好后的长度在100cm到150cm之间。

进一步的，磁条一、磁条二两个磁铁的北极(n极)与北极(n极)沿竖直方向相对放置，磁条一、磁条二分别通过钢板吸附固定在支架上，两排钢板竖直放置，钢板平面相互平行，钢板平面与支架平面垂直。

进一步的，直流电流源的电流大小可调，通过调节电流大小，可以使得金属弹簧在两个磁铁形成的磁场中受到的竖直向上的磁场力等于金属弹簧的重力。

一种竖直纵波驻波实验测量方法，包括如下步骤：

(1)将金属弹簧水平放置在桌面上，测量得到金属弹簧的原始长度l0；

(2)将金属弹簧的一端固定在喇叭的纸盆上，使之自由下垂，此时由于弹簧重力的影响使得弹簧长度大于l0；

(3)通过导线将金属弹簧的两端分别与直流电流源的正负极相连，然后调节直流电流源的电极方向与电流大小，使得金属弹簧的长度等于l0；

(4)将金属弹簧的另一端固定在拉力传感器的力臂上，记下此时金属弹簧的长度l；

(5)打开音频电流源的电源开关，调节音频电流源的电流频率，观察弹簧上驻波形成情况，当发现出现明显驻波时，记下此时对应的频率f与拉力传感器的读数t；

(6)数出弹簧上驻波数目n，并得到驻波波长λ＝l/n。

本发明所达到的有益效果是：

本发明实现了稳定的可视化纵波驻波观测，可以作为纵波驻波演示实验教学；通过装置还可以研究形成驻波后纵波波长、频率、拉力三者间的相互关系；通过低频信号源驱动喇叭振动，保证了驻波频率的稳定与准确测量；弹簧竖直放置且初始状态是被拉开一定距离处于略微略微拉伸状态比较有利于纵波驻波的形成与观测；加上弹簧底部固定、起振源在竖直方向正上端这些措施均有利于形成更稳定的驻波；将弹簧放置在一恒定的磁场中，调节通过弹簧的电流大小，使得弹簧本身的重力得到磁场力的补偿，可以有效消除弹簧本身质量对驻波测量的影响；拉力是在形成稳定的驻波后测量得到，此时的拉力测量值精准度高。

附图说明

图1是本发明一种竖直纵波驻波实验测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

一种竖直纵波驻波实验测量装置，包括：支架1、底座2、拉力传感器3、喇叭4、音频电流源5、刻度尺6、金属弹簧7、导轨8、电源9、导线10、磁条一11、磁条二12、直流电流源13，其中，支架1竖直固定在底座2侧面上，拉力传感器3通过导轨8固定在支架1底部并可以在导轨上沿竖直方向滑动与固定，磁条一11、磁条二12沿着竖直方向相对放置并固定在支架1上，中间竖直放置有金属弹簧7，金属弹簧7的一端被固定在喇叭4的纸盆上，金属弹簧7的另一端被固定在拉力传感器3的力臂上，喇叭4被固定在支架顶部，刻度尺6沿竖直方向固定于支架1上，方便直接读出金属弹簧7的长度，音频电流源5、电源9、直流电流源13固定在底座2上，电源9通过导线10分别与音频电流源5、拉力传感器3、直流电流源13连接，音频电流源5通过导线10与喇叭4连接，直流电流源13通过导线10与金属弹簧7的两端连接。

进一步的，支架1是铸铁材料制成，高2米；

进一步的，底座2是铸铁材料制成，内部中空，面板位于其顶部；

进一步的，拉力传感器3采用安徽省测力传感器厂的jlbs—m2s微型拉压力传感器，额定载荷0.01-5.00n，此拉力传感器具有拉力直接显示模块，拉力大小可直接通过数码窗口读出数值；

进一步的，喇叭4采用上海飞乐的80瓦4欧直径21cm小大喇叭扬声器，喇叭周边的纸盆被拿掉，只保留中间橡皮胶部分用于固定金属弹簧7；

进一步的，音频电流源5采用深圳粤豫科技的yf-6型的pvm方波信号发生器加上yymos-1型mos管进行功率放大，信号发生器频率1hz～100khz范围可调、占空比0～100％可调、直流3.3v～20v通用供电，mos管最大输出200w；

进一步的，金属弹簧7采用浙江省bondhus线径0.4mm、外径10mm、长度80cm定制金属弹簧，金属弹簧7的原始长度80cm，金属弹簧7被喇叭4的纸盆与拉力传感器3的力臂固定好后的长度120cm；

进一步的，磁条一11、磁条二12两个磁铁的北极(n极)与北极(n极)沿竖直方向相对放置，磁条一11、磁条二12分别通过钢板吸附固定在支架1上，两排钢板竖直放置，钢板平面相互平行，钢板平面与支架1平面垂直；

进一步的，电源9采用通用500w大功率开关电源；

进一步的，直流电流源13采用杭州蓝仪电子dcps2422型400v/6a程控通讯稳压恒流可调可编程高精度电流源，电流大小可调，通过调节电流大小，可以使得金属弹簧7在两个磁铁形成的磁场中受到的竖直向上的磁场力等于金属弹簧7的重力。

基于该装置本发明还提供了测量方法，包括如下步骤：

(1)将金属弹簧7水平放置在桌面上，测量得到金属弹簧7的原始长度l0＝80cm；

(2)将金属弹簧7的一端固定在喇叭4的纸盆上，使之自由下垂，此时由于弹簧重力的影响使得弹簧长度大于l0；

(3)通过导线将金属弹簧7的两端分别与直流电流源13的正负极相连，然后调节直流电流源13的电极方向与电流大小，使得金属弹簧7的长度等于80cm；

(4)将金属弹簧7的另一端固定在拉力传感器3的力臂上，记下此时金属弹簧7的长度l＝120cm；

(5)打开音频电流源5的电源开关，调节音频电流源5的电流频率，观察弹簧上驻波形成情况，当发现出现明显驻波时，记下此时对应的频率f＝60hz与拉力传感器的读数t＝3.60n；

(6)数出弹簧上驻波数目n＝12，并得到驻波波长λ＝l/n＝10cm；

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。