一种音叉共振兼振动图像演示仪的制作方法
【专利摘要】一种音叉共振兼振动图像演示仪，属于物理教具，包括透明箱、可旋转底座、音叉、小镜片、内置扩音器式音箱、小型音频发生器、烟雾器、激光笔、左反光镜、右反光镜、电动六棱柱反光镜、半透明塑料屏幕等。该教具不仅可用来观察音叉共振时的现象，而且还可用来演示音叉的振动图象。该教具采用音箱驱动音叉共振达到了持续共振的目的；采用光放大原理解决了音叉振动幅度小不易直接观察的问题；采用视觉暂留原理，实验原理和方法巧妙，实验现象明显直观，体现了教具的科学性、教学性及探究性及趣味性。
【专利说明】
一种音叉共振兼振动图像演示仪
技术领域
[0001]本发明公开了一种音叉共振兼振动图像演示仪，涉及一种结合激光演示音叉共振现象和振动图像的实验仪器，属于物理教具。
【背景技术】
[0002]在物理教学中，教师一般用两个音叉来演示共振实验，即共鸣实验。音叉是呈“Y”形的钢质或铝合金发声器，各种音叉可因其质量和叉臂长短、粗细不同而在振动时发出不同频率的纯音。实验时，取两个固有频率相同的音叉a和b并让其共鸣箱口对口放置，敲击音叉a使它发声，过一会儿用手按住音叉a使其停止发声，此时可以听到没有被敲击的音叉b也发出了声音。该常规实验方案存在许多不足:(I)由于音叉a所发声音的响度不够，实验现象不够明显；(2)由于音叉振动损耗明显，导致音叉振动时间短，不能持续共鸣；(3)音叉振动幅度小，不易直接观察。
【发明内容】
[0003]为了解决上述不足，可利用光放大及视觉暂留原理，设计一种结合激光演示音叉共振现象和振动图像的实验仪器。本发明采用如下技术方案:一种音叉共振兼振动图像演示仪，包括透明箱、可旋转底座、音叉、小镜片、内置扩音器式音箱、小型音频发生器、烟雾器、激光笔、左反光镜、右反光镜、电动六棱柱反光镜、半透明塑料屏幕等，其特征是:透明箱具体包括透明箱本体、伸手操作用椭圆孔及黑纸等，所述黑纸粘贴在透明箱后侧面内壁作为黑色背景，让激光光线显示更加清晰，所述伸手操作用椭圆孔设在左侧下半位置，方便对透明箱内的器件进行操作;透明箱内固定摆放着音叉、内置扩音器式音箱、小型音频发生器、烟雾器等器件，左右两侧面内壁分别粘贴有左反光镜和右反光镜;可旋转底座装在透明箱底部，可以用来旋转透明箱，方便调整观察角度;音叉具体包括共鸣箱、叉股和调频件，调节调频件的位置可以改变音叉的固有频率;小镜片贴在音叉叉股上，可随音叉叉股一起振动；内置扩音器式音箱正对音叉的共鸣箱，具体包括音箱本体、内置扩音器、音箱开关、音量调节旋钮及音箱接线等;小型音频发生器，具体包括音频发生器本体、开关、粗调频率旋钮、细调频率旋钮、数字显示屏及输出接口等，可以产生频率为O-1OOOHz的电信号并输给内置扩音器式音箱;烟雾器内装有烟饼，点燃后可以产生少量的烟，可以显现激光光线的光迹；激光笔固定在透明箱右侧面内壁靠近底部位置，可自由调整其角度，让其发出的激光光线可射到小镜片并被反射到右反光镜上，接着通过左反光镜、右反光镜及电动六棱柱反光镜多次来回反射到半透明塑料屏幕上；电动六棱柱反光镜固定在透明箱右侧面内壁靠近顶部位置，具体包括六棱柱反光镜、电动机、电动机电源、电源开关及调速旋钮等，打开电源开关能使六棱柱反光镜随电动机一起转动;半透明塑料屏幕贴在透明箱左侧面内壁靠近顶部位置，具体包括屏幕本体、直角坐标及刻度等。
[0004]本发明的原理具体说明如下:实验时，小型音频发生器能产生一定频率的电信号并输送到内置扩音器式音箱，内置扩音器式音箱能发出相应频率的声音，音叉的共鸣箱和叉股从而在声音的作用下作受迫振动。当声音的频率等于音叉的固有频率时满足共振条件，此时音叉叉股振动最明显。由于音叉叉股来回振动，激光笔发出的激光经过小镜片反射后会上下快速摆动，再经过左反光镜、右反光镜及电动六棱柱反光镜的多次反射后射到半透明塑料屏幕上，从而在透明箱有限的空间里达到了放大倍数足够大的目的。由于视觉暂留原理，其激光光线在烟雾器产生的烟中显现出一个“三角形亮区”及多个“四边形亮区”的光迹并在半透明塑料屏幕上显现一段“亮条”。当电动六棱柱反光镜转动时，又由于视觉暂留原理，又会在半透明塑料屏幕上快速显现一条正弦曲线的振动图象光迹。
[0005](I)探究音箱声音的频率对音叉振动的影响
[0006]以选用固有频率为440Hz的音叉为例，实验时，根据要求固定好各器件，点燃烟雾器中的烟饼发出少量烟并扩散到整个透明箱，打开激光笔电源，此时在透明箱中只看到一条入射光线和多条反射光线。接着，让小型音频发生器发出一定频率的电信号使内置扩音器式音箱发出声音，通过音量调节旋钮尽量调高音量后保持不变，通过小型音频发生器调节电信号的频率从400Hz增大到500Hz，在透明箱中可看到一个“三角形亮区”及多个“四边形亮区”光迹，当输入频率为440Hz时音叉振动最明显，“三角形亮区”及“四边形亮区”光迹的面积也最大。实验时，可以通过调频件改变音叉的固有频率，重复上述实验步骤，可以发现只有当声音频率等于音叉的固有频率时，音叉发生共振。
[0007](2)探究音箱声音的音量对音叉振动的影响
[0008]实验时，可以保持输入电信号的频率不变，通过音量调节旋钮改变内置扩音器式音箱所发声音的音量，可以发现声音音量越高，音叉振动越明显，在透明箱中看到的“三角形亮区”及“四边形亮区”光迹的面积也越大。
[0009](3)演示音叉的振动图象实验
[0010]当六棱柱反光镜未转动时，在半透明塑料屏幕上留下一段“亮条”光迹。当闭合电动机电源开关并通过调速旋钮调节转速，使六棱柱反光镜随电动机一起以一定的转速转动，由于视觉暂留原理，在半透明塑料屏幕上会快速显现一条正弦曲线的振动图象光迹。
【附图说明】
[0011]图1是本发明整体的正视图；
[0012]图2是图1中透明箱的简易立体图；
[0013]图3是图1中音叉的放大图；
[0014]图4是图1中电动六棱柱反光镜的放大图；
[0015]图5是图1中音箱及小型音频发生器的放大图；
[0016]图6是本发明工作原理的流程示意图；
[0017]图7是音箱未发出声音时透明箱中的效果图；
[0018]图8是电动六棱柱反光镜未转动时屏幕上的效果图；
[0019]图9是电动六棱柱反光镜转动时屏幕上的效果图。
[0020]图中:1.透明箱，具体涉及Ia.透明箱本体、Ib.伸手操作用椭圆孔及Ic.黑纸;2.可旋转底座;3.音叉，具体涉及3a.共鸣箱、3b.叉股及3c.调频件;4.小镜片;5.内置扩音器式音箱，具体涉及5a.音箱本体、5b.内置扩音器、5c.开关、5d.音量调节旋钮及5e.音箱接线；
6.小型音频发生器，具体涉及6a.音频发生器本体、6b.开关、6c.粗调频率旋钮、6d.细调频率旋钮、6e.数字显示屏及6f.输出接口； 7.烟雾器，具体涉及7a.烟盒、7b.烟饼及7c.烟;8.激光笔;9.左反光镜；10.右反光镜；11.电动六棱柱反光镜，具体涉及I Ia.六棱柱反光镜、Ilb.电动机、lie.电动机电源、Ild.电源开关及lie.调速旋钮;12.半透明塑料屏幕，具体涉及12a.屏幕本体、12b.直角坐标及12c.刻度；13.激光光迹，具体涉及13a.入射光线、13b.反射光线、13c.“三角形亮区”、13d.“四边形亮区”、13e.“亮条”及13f.“正弦曲线”。
【具体实施方式】
[0021 ]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0022]结合图1-图5所示，一种音叉共振兼振动图像演示仪，包括透明箱(1)、可旋转底座
(2)、音叉(3)、小镜片(4)、内置扩音器式音箱(5)、小型音频发生器(6)、烟雾器(7)、激光笔
(8)、左反光镜(9)、右反光镜(10)、电动六棱柱反光镜(11)、半透明塑料屏幕(12)等，其特征是:透明箱(I)具体包括透明箱本体(Ia)、伸手操作用椭圆孔(Ib)及黑纸(Ic)等，所述黑纸(Ic)粘贴在透明箱(I)后侧面内壁作为黑色背景，让激光光线显示更加清晰，所述伸手操作用椭圆孔(Ib)设在左侧下半位置，方便对透明箱(I)内的器件进行操作;透明箱(I)内固定摆放着音叉(3)、内置扩音器式音箱(5)、小型音频发生器(6)、烟雾器(7)等器件，左右两侧面内壁分别粘贴有左反光镜(9)和右反光镜(10);可旋转底座(2)装在透明箱(I)底部，可以用来旋转透明箱(I)，方便调整观察角度;音叉(3)具体包括共鸣箱(3a)、叉股(3b)和调频件(3c)，调节调频件(3c)的位置可以改变音叉的固有频率;小镜片(4)贴在音叉叉股(3b)上，可随音叉叉股(3b)—起振动；内置扩音器式音箱(5)正对音叉的共鸣箱(3a)，具体包括音箱本体(5a)、内置扩音器(5b)、音箱开关(5c)、音量调节旋钮(5d)及音箱接线(5e)等;小型音频发生器(6)，具体包括音频发生器本体(6a)、开关(6b)、粗调频率旋钮(6c)、细调频率旋钮(6d)、数字显示屏(6e)及输出接口(6f)等，可以产生频率为O-1OOOHz的电信号并输给内置扩音器式音箱(5);烟雾器(7)内装有烟饼，点燃后可以产生少量的烟(7c)，可以显现激光光线的光迹;激光笔(8)固定在透明箱(I)右侧面内壁靠近底部位置，可自由调整其角度，让其发出的激光光线可射到小镜片(4)并被反射到右反光镜(10)上，接着通过左反光镜(9)、右反光镜(10)及电动六棱柱反光镜(11)多次来回反射到半透明塑料屏幕(12)上；电动六棱柱反光镜(11)固定在透明箱(I)右侧面内壁靠近顶部位置，具体包括六棱柱反光镜(11a)、电动机(11b)、电动机电源(11c)、电源开关(Ild)及调速旋钮(lie)等，打开电源开关(Ild)能使六棱柱反光镜(Ila)随电动机(Ilb)—起转动;半透明塑料屏幕(12)贴在透明箱(I)左侧面内壁靠近顶部位置，具体包括屏幕本体(12a)、直角坐标(12b)及刻度(12c)等。
[0023]结合图1和图6，本发明的原理具体说明如下:实验时，小型音频发生器(6)能产生一定频率的电信号并输送到内置扩音器式音箱(5)，内置扩音器式音箱(5)能发出相应频率的声音，音叉(3)的共鸣箱(3a)和叉股(3b)从而在声音的作用下作受迫振动。当声音的频率等于音叉(3)的固有频率时满足共振条件，此时音叉叉股(3b)振动最明显。由于音叉叉股(3b)来回振动，激光笔(8)发出的激光经过小镜片(4)反射后会上下快速摆动，再经过左反光镜(9)、右反光镜(10)及电动六棱柱反光镜(11)的多次反射后射到半透明塑料屏幕(12)上，从而在透明箱(I)有限的空间里达到了放大倍数足够大的目的。由于视觉暂留原理，其激光光线在烟雾器(7)产生的烟(7c)中显现出一个“三角形亮区”(13c)及多个“四边形亮区”(13d)的光迹并在半透明塑料屏幕(12)上显现一段“亮条”(13e)，具体效果见图1和图8。当电动六棱柱反光镜(11)转动时，又由于视觉暂留原理，又会在半透明塑料屏幕(12)上快速显现一条正弦曲线(13f)的振动图象光迹，具体效果见图9。
[0024](I)探究音箱声音的频率对音叉振动的影响
[0025]如图7所示，以选用固有频率为440Hz的音叉(3)为例，实验时，根据要求固定好各器件，点燃烟雾器(7)中的烟饼(7b)发出少量烟(7c)并扩散到整个透明箱(I)，打开激光笔
(8)电源，此时在透明箱(I)中只看到一条入射光线(13a)和多条反射光线(13b)，具体效果见图7。
[0026]如图1所示，接着让小型音频发生器(6)发出一定频率的电信号使内置扩音器式音箱(5)发出声音，通过音量调节旋钮(5d)尽量调高音量后保持不变，通过小型音频发生器
(6)调节电信号的频率从400Hz增大到500Hz，在透明箱(I)中可看到一个“三角形亮区”(13c)及多个“四边形亮区”(13d)光迹，当输入频率为440Hz时音叉(3)振动最明显，“三角形亮区”(13c)及“四边形亮区”(13d)光迹的面积也最大。实验时，可以通过调频件(3c)改变音叉(3)的固有频率，重复上述实验步骤，可以发现只有当声音频率等于音叉(3)的固有频率时，音叉(3)发生共振。
[0027](2)探究音箱声音的音量对音叉振动的影响
[0028]结合图1和图5，实验时，可以保持输入电信号的频率不变，通过音量调节旋钮(5d)改变内置扩音器式音箱(5)所发声音的音量，可以发现声音音量越高，音叉(3)振动越明显，在透明箱⑴中看到的“三角形亮区”(13c)及“四边形亮区”(13d)光迹的面积也越大。
[0029](3)演示音叉的振动图象实验
[0030]结合图1和图4，当六棱柱反光镜(Ila)未转动时，在半透明塑料屏幕(12)上留下一段“亮条”(13e)光迹，具体效果见图8。当闭合电动机电源开关(Ild)并通过调速旋钮(He)调节转速，使六棱柱反光镜(Ila)随电动机(Ilb)—起以一定的转速转动，由于视觉暂留原理，在半透明塑料屏幕(12)上会快速显现一条正弦曲线(13f)的振动图象光迹，具体效果见图9。
[0031]总之，该音叉共振兼振动图像演示仪作为一种物理教具，不仅可用来观察音叉共振时的现象，而且还可用来演示音叉的振动图象。该教具采用音箱驱动音叉共振达到了持续共振的目的；采用光放大原理解决了音叉振动幅度小不易直接观察的问题;采用视觉暂留原理，实验原理和方法巧妙，实验现象明显直观，体现了教具的科学性、教学性及探究性及趣味性。
【主权项】
1.一种音叉共振兼振动图像演示仪，包括透明箱(I)、可旋转底座(2)、音叉(3)、小镜片(4)、内置扩音器式音箱(5)、小型音频发生器(6)、烟雾器(7)、激光笔(8)、左反光镜(9)、右反光镜(10)、电动六棱柱反光镜(11)、半透明塑料屏幕(12)等。2.根据权利要求1所述的透明箱(I)及可旋转底座(2)，其特征是:透明箱(I)具体包括透明箱本体(la)、伸手操作用椭圆孔(Ib)及黑纸(Ic)等，所述黑纸(Ic)粘贴在透明箱(I)后侧面内壁作为黑色背景，让激光光线显示更加清晰，所述伸手操作用椭圆孔(Ib)设在左侧下半位置，方便对透明箱(I)内的器件进行操作;透明箱(I)内固定摆放着音叉(3)、内置扩音器式音箱(5)、小型音频发生器(6)、烟雾器(7)等器件，左右两侧面内壁分别粘贴有左反光镜(9)和右反光镜(10);可旋转底座(2)装在透明箱(I)底部，可以用来旋转透明箱(I)，方便调整观察角度。3.根据权利要求1所述的音叉(3)，其特征是:音叉(3)具体包括共鸣箱(3a)、叉股(3b)和调频件(3c)，调节调频件(3c)的位置可以改变音叉的固有频率;小镜片(4)贴在音叉叉股(3b)上，可随音叉叉股(3b) 一起振动。4.根据权利要求1所述的内置扩音器式音箱(5)及小型音频发生器(6)，其特征是:内置扩音器式音箱(5)正对音叉的共鸣箱(3a)，具体包括音箱本体(5a)、内置扩音器(5b)、音箱开关(5c)、音量调节旋钮(5d)及音箱接线(5e)等;小型音频发生器(6)具体包括音频发生器本体(6a)、开关(6b)、粗调频率旋钮(6c)、细调频率旋钮(6d)、数字显示屏(6e)及输出接口(6f)等，可以产生频率为O-1OOOHz的电信号并输给内置扩音器式音箱(5)。5.根据权利要求1所述的烟雾器(7)及激光笔(8)，其特征是:烟雾器(7)内装有烟饼，点燃后可以产生少量的烟(7c)，可以显现激光光线的光迹;激光笔(8)固定在透明箱(I)右侧面内壁靠近底部位置，可自由调整其角度，让其发出的激光光线可射到小镜片(4)上。6.根据权利要求1所述的电动六棱柱反光镜(11)，其特征是:电动六棱柱反光镜(11)固定在透明箱(I)右侧面内壁靠近顶部位置，具体包括六棱柱反光镜(11a)、电动机(11b)、电动机电源(11c)、电源开关(Ild)及调速旋钮(He)等，打开电源开关(Ild)能使六棱柱反光镜(Ila)随电动机(Ilb)—起转动。7.根据权利要求1所述的半透明塑料屏幕(12)，其特征是:半透明塑料屏幕(12)贴在透明箱(I)左侧面内壁靠近顶部位置，具体包括屏幕本体(12a)、直角坐标(12b)及刻度(12c)等。
【文档编号】G09B23/14GK105825750SQ201610378696
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月28日
【发明人】陈显盈, 吴汉锋, 尤爱惠
【申请人】陈显盈