弹簧摆内共振现象的实验研究

用视频摄像和计算机技术从实验上研究了弹簧摆的内共振现象。从系统的势能出发，讨论了弹簧摆的运动规律。通过实时记录摆球的位置，得了不同初始条件下，弹簧摆振动的位移曲线、能量曲线和摆球运动的轨迹。实验结果展示了理论与实验的一致性。     

径向摆的运动状态及其混沌状态的研究

本文研究了第31届国际青年物理学家锦标赛(IYPT)中径向摆问题。利用弹性理论笔者对弹性杆和小球组成的径向摆体系进行了分析和实验检验。结果发现,通过改变摆的悬挂位置、弹性杆长度等参数可以改变摆球的运动轨迹。实验结果表明:弹性杆与摆球运动的牵连是径向摆摆的运动轨迹会发生转变的原因,而弹性杆的受迫共振是摆径向摆体系存在混沌现象的原因,混沌现象产生的条件是发生在弹性杆杨氏模量或截面积极小的情况。     

第30届国际物理奥林匹克竞赛实验试题及分析

本届比赛的扭摆实验装置是在一个金属方框中间固定一根钢丝 ,钢丝中点与一个长度可调的金属杆的底部紧固连接 .钢丝张紧后 ,使杆有一初始角位移 ,然后杆便在钢丝弹性作用下来回摆动 ,形成扭摆 .这是一个典型的力学实验 .试题分为 8小题 .第 1题要求实验确定摆的质心位置及其与摆长的变化关系 .第 2题要求用线性拟合的方法求出组成摆的两部分各自的质量 .所谓线性拟合即用作图法 ,将数据点拟合成直线 ,通过计算直线斜率求得实验结果 .第3 ,4题要求写出摆的转动惯量公式和摆的振动方程 .这些都是普通物理学中的基本知识 .第 7题叙述了当转轴水…     

弹簧摆动力学行为演示仪

在非线性保守系统中,弹簧摆结构简单,运动特性较为典型.本文通过拉格朗日方程对弹簧摆系统进行理论分析解得运动方程,并在径向和切向将运动分解,运用图像处理技术设计制作了弹簧摆演示仪和实验软件,对运动轨迹与时序图进行可视化.软件绘制的弹簧摆轨迹与理论结果具有较好的一致性.     

弹性势能零点选择与弹性势能表达式问题讨论

弹性势能差值不会因为弹性势能的零点选择而改变,但当规定弹性势能的零点位置不同时,系统的弹性势能却有不同的表达式.当选择弹簧原长时为零势能点,弹性势能的表示形式最简单,Ep=1/2kx2.是不是通常情况都是以弹簧原长时为零势能点?在具体问题中,零势能点的选取有没有特定的要求?文中对上述问题作出了系统性的分析与回答.     

利用多普勒效应实验仪器研究垂直简谐振动测量方法的改进

利用多普勒效应实验仪器测量垂直简谐振动的周期和频率实验中,对传统测量方法进行了改进,测量接收器悬挂弹簧后再加挂砝码时的弹簧的伸长量.采用2种方法进行实验,测量结果表明改进后的方法误差更小、更精确.     

水洞流场PIV显示与分析系统离轴测试校正

粒子图像测速技术(PIV)通过测量被测流场截面上每一位置点的速度,获得整个被测流场的信息.在PIV一般应用中所使用的照明激光片光与成像CCD装置的拍摄方向是垂直的,在某些应用场合受测试条件的限制,需要采用离轴方式进行测量,此时CCD成像方向与照明的激光片光不垂直,而是有一定夹角.离轴测试方式将对PIV系统的光学成像系统、示踪粒子选择和粒子图像处理带来影响.实验采用Scheimpflug离轴聚焦的方法对表面镀银高反射率的示踪粒子进行成像,通过调整成像透镜与CCD像面的夹角可获得清晰的粒子成像,并利用网格校正板和软件计算处理等方法有效校正了由于离轴测试带来的影响.     

韦氏耦合摆共振机理探索

分析了韦氏摆的共振机理. 韦氏摆可以看作是扭摆和弹簧振子的组合,两者在垂直方向上可以达到共振,有相互间力的作用. 通过实验证实了传递力的存在,并测量了传递比率,通过计算机实时测量,完全符合理论推断.     

一体型平行弹簧扫描隧道显微镜

描述了一种新结构形式的扫描隧道显微镜系统。该系统使用一体型平行弹簧和压电致动元件作为精密二维位置控制器件，使得ｘ轴和ｙ轴间的位移干扰变得极其微小。控制ｚ轴位移及试件与探针间距的压电致动元件是以悬挂方式固定在一体型平行弹簧上的，因此，对ｚ轴的位移干扰亦忽略。     

位移干扰引起的受迫振动

弹簧振子的运动问题中,悬挂点(或支点)也在振动的问题或类似的问题,在有的物理教材中作为讲述两个同方向简谐振动合成前的引例,给人的印象是这类问题中振子的绝对运动是通过悬挂点的运动和弹簧振子相对悬挂点的运动两者叠加求解的.如果悬挂点的运动和弹簧振子相对悬挂点的运动都是简谐振动，则求解弹簧振子的绝对运动就是两个同方向简谐振动的合成问题．     

用可逆摆测重力加速度的建议

可逆摆测重力加速度实验的关键是调节摆锤A到某一位置，如图1所示，使该摆不论悬挂在O1点还是O2，其摆动周期T1、T2相等，确定A锤的位置有如下两种方法．     

基于带状弹簧的空间望远镜精密展开技术进展

采用带状弹簧构造的可折叠多杆并联结构对卡塞格林型望远镜的次镜进行支撑,并结合在轨调节,可以实现口径＜1 m的可展开空间望远镜。描述了基于带状弹簧的可展开空间望远镜的结构特点,介绍了近年来发表的四杆支撑、八杆支撑、三杆支撑和六杆支撑等4种基于带状弹簧的空间望远镜精密展开技术的研究进展。建议针对带状弹簧空间望远镜的精密展开技术,应进一步开展结构动力学建模、结构优化以及误差的光电测量和校正等方面的研究。此外,在模拟微重力环境下展开实验也有助于推动展开动力学和展开精度的研究,而非对称展开结构将是今后该项技术的研究方向之一。认为开展基于带状弹簧的空间望远镜精密展开技术的研究将促进基于微小卫星平台的高分辨率遥感成像和自由空间光通信技术的发展。     

利用不对称三线摆测量不规则物体的转动惯量

工程中常用对称三线摆来测量不规则物体的转动惯量.测量前需预先调整3条摆线严格对称,并保证待测物体和上、下两盘三者的质心严格共线,而三质心共线在实验过程较难严格实现.为此,本文设计并制作了一种不对称三线摆,即将待测物体直接作为下盘,用3根摆线悬挂在上盘上即可.无论3个悬挂点是否对称,也无论摆线是否等长,只要保证3条摆线与质心轴平行,即可测得该物体绕质心轴的转动惯量.实验结果与理论值误差在±5%内的概率为77.78%,表明不对称三线摆可以用于一般刚体的转动惯量测量.     

摆杆和摆杆座质量对复摆实验的影响

通过理论分析证明复摆实验装置中摆杆和摆杆座质量对实验的影响,指出在摆杆和摆杆座的质量不能忽略的情况下,由摆杆、摆杆座和摆锤组成的刚体并非固定刚体。针对现有的刚体系统重新设计实验方案,推导出利用该装置测量重力加速度的理论公式,实验结果证明该方案切实可行。     

车载光学平台双层隔振系统设计与试验研究

 分析了冲击、振动对车载精密光学系统的影响,指出了光学平台的变形和振动是影响车载精密光学系统精度和稳定性的主要因素,提出了车载光学平台双层隔振系统的设计方案。采用ANSYS有限元方法分析了光学平台隔振系统的振动模态和减振比,完成了车载状况下的光学平台振动测试。分析与测试结果表明,车载光学平台的双层隔振结构具有良好的稳定性,且对环境强振动有很好的衰减作用。该双层隔振技术方案及其分析测试方法,对于各种车载精密光学系统和设备具有重要的工程应用价值。     

失谐耦合摆运动规律的研究

利用拉格朗日方法,理论上分析了失谐耦合摆的运动规律,并从实验上观测了弹簧的倾斜因子ε对双摆振动角频率的不同影响,确定了弹簧向下偏离平衡位置时较向上偏离时对两摆角频率的影响大,通过改变弹簧的倾斜因子可以连续调节摆的振动规律。在此基础上,研究了双倾斜弹簧连接双摆时对双摆运动规律的影响。     

双光栅光谱仪波长扫描机构精度分析

光栅光谱仪作为研究太阳辐射的重要设备之一,其波长扫描机构的精度很大程度上决定了最终测量结果的准确性。从光机系统的光栅参量误差和机械结构误差两方面入手,对丝杠摆杆波长扫描机构展开综合精度分析,依据凹面光栅色散原理,推导出波长λ与摆杆末端沿丝杠方向位移x,摆杆长度l,光栅常数g和入射光线与出射光线夹角半值δ之间的关系。再对等式求导,依据误差叠加原理,计算出在红外工作波段650 nm~2 400 nm范围内,其波长定标误差应不超过±1.227 nm。在实验样机上进行验证,以汞灯为光源拟合出误差与波长的关系曲线,并以氦氖激光器为光源加以验证。实验结果证明了理论计算的正确性,该分析方法为双光栅光谱仪零部件精度指标的确定提供了依据。     

弹簧摆的内共振特性分析

首先提出了一种弹簧摆模型,通过谐波平衡法对弹簧摆的内共振现象进行了解析处理,得到了弹簧摆内共振条件以及X、Z两模态能量之间的转换关系.再利用数值模拟得到弹簧摆内共振时的时序图、相图、轨迹图、能量图以及内共振耦合区域图等,分析表明,解析和数值模拟的结果与实验结果吻合一致.     

弹簧耦合摆在复杂情况下的小振动解

求解弹簧耦合摆的简正频率是理论力学中一道非常经典的题目,用分析力学的角度研究该题是一种重要的方法.目前对弹簧摆的研究多针对两单摆间的距离恰好等于弹簧原长;而当距离略大于或小于弹簧原长时,平衡状态下单摆摆线不再处于竖直状态,由于涉及不同的小角度近似,系统动能和势能的表示都变得更为复杂.本文探究了弹簧耦合摆系统的简正频率与系统静止时摆线偏移竖直方向角度的关系,利用MATLAB计算对比了是否使用小角度近似的运动过程,得到了近似解的适用情况.最后,在不考虑小角度的情况下,计算了拍频与弹簧固有频率、单摆固有频率和单摆平衡状态下偏移角度的关系.     

不同控制参数下的弹簧摆

通过拉格朗日方程得出弹簧摆系统的动力学方程,并以频率比作为控制参数,利用Matlab软件对不同控制参数和初始摆角下的弹簧摆进行了数值模拟,从而直观地研究了弹簧摆的运动.