利用Tracker软件研究扭摆的振动

利用Tracker软件自动追踪功能描绘扭摆振动图像,并利用其数据拟合功能拟合出扭摆振动曲线,分析扭摆在短时间内振动情况.调整扭摆的摆角,研究不同摆角的周期与衰减规律.相比传统实验,Tracker软件更加精确、直观、高效,同时实验结果精确度高.     

扭摆法测量转动惯量实验数据处理及误差讨论

扭摆法测量转动惯量是大学物理实验中一个重要的项目.现行物理实验教材中,其相对误差分析通过对比转动惯量理论值与实验测量值得到,这种处理方式值得商榷.本文针对这一问题,采用不确定度计算,分别讨论了转动惯量的理论值与实验值的不确定度公式,并比较了两种转动惯量计算结果的差别,分析其产生的可能原因.并提出了用线性拟合作图法验证平行轴定理的新思路,根据微扰理论提出了得到扭转常数与摆幅相互关系的测量方案和减少误差的处理途径.最后用数值计算讨论了同时考虑摩擦阻力和扭转常数随摆角变化对摆动周期的影响.     

基于霍尔效应的三线摆周期测量装置的研制

文章介绍了一种基于霍尔效应的三线摆周期测量装置的工作原理、性能和实验结果。该装置由霍尔元件、数据采集系统、电源和电脑构成。通过线性霍尔元件将三线摆下盘的扭摆转换成电压信号的振荡,然后利用数据采集系统采集并在电脑上实时显示与存储。实时显示可以杜绝漏计导致的周期计数错误现象,存储的数据可以进一步分析三线摆扭摆情况。由于采集的数据量比较大,数据包含的信息也更丰富。本文尝试利用极大值点线性拟合法和快速傅里叶变换法处理数据。由于三线摆的运动一般是扭摆和横摆同时存在的混合摆现象,横摆的周期与扭摆的周期不同,利用频谱分析可以排除横摆对扭摆周期测量的影响,确保周期测量准确,所以,快速傅里叶变换更适合处理此类实验数据。本文利用市场上现有的光电测量装置和基于霍尔效应的三线摆周期测量装置进行对比实验,测量三线摆下盘的转动惯量。实验结果表明:利用现有的光电测量装置,相对误差为1.6%;利用基于霍尔效应的三线摆周期测量装置,相对误差可达0.81%,说明基于霍尔效应的三线摆周期测量装置的准确度比现有的光电测量装置要高,具有一定的推广和使用价值。     

新型三线摆周期测量装置的研制与探讨

形状复杂或非匀质刚体的转动惯量可以利用三线摆测量,其中,扭摆周期是关系到测试精度的重要参数.人工计数和秒表计时费心费力,容易出错.采用光电传感器和单片机测量容易受到横摆或晃动的影响,导致漏记一个周期.为此,提出一种新型三线摆周期测量装置,由光源、起偏器、检偏器、光敏电阻模块、数据采集系统和安装有上位机软件的电脑构成,利用光的偏振特性和马吕斯定律来检测三线摆下盘的扭摆情况.利用Origin软件的线性拟合功能处理数据可以得到三线摆扭摆的周期.利用市场上现有的光电测量装置和新型三线摆周期测量装置同时进行对比实验,测量三线摆下盘的转动惯量.实验结果表明:利用现有的光电测量装置,相对误差为0.83%;利用新型三线摆周期测量装置,相对误差可达0.11%,系列实验结果说明新型三线摆周期测量装置的准确度比现有的光电测量装置要高.因为三线摆下盘的横摆或晃动引起的起偏器小范围的平动并不影响透射光的强度,所以,新型三线摆周期测量装置的抗干扰能力较强.此外,该装置还具有测量速度快、操作简单、方便、快捷等优点,具有一定的推广价值.     

扭摆振动实验

为了丰富“非线性系统实验”课程的教学内容,开设了扭摆振动实验,将力学中的非线性现象引入到教学中.在实验内容的设计上,采取线性振动和非线性振动相结合的方式,即:首先研究扭摆的线性振动,如阻尼振动、受迫振动等,先对振动问题有基本的理解,然后再研究扭摆的非线性振动,分别固定驱动频率、改变励磁电流和固定励磁电流、改变驱动频率,观察非线性摆的运动情况.     

CUPT2019循环摆研究

2019年CUPT第14题"循环摆"描述了一个在生活中常见却物理原理深刻的现象.所谓循环,指的能够旋转一周以上,约定轻物体绕杆旋转一圈以上,就形成了循环摆.实验中观察循环摆的轨迹,发现其必然会过渡到渐开线.利用拉格朗日方程可得描述轻物运动的非线性常微分方程组,据此方程组分析过渡到渐开线时刻的各物理量的变化规律、确定形成...     

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。     

基于两级摆杆结构的超低频垂直隔振系统

在许多精密科学实验和测试中,对地面垂直振动的有效隔离影响着实验结果和测试结果的精度.本文提出一种全新的两级摆杆结构的超低频垂直隔振系统,在原理分析的基础上,设计并实现了该系统的样机.两根水平摆杆放置在同一竖直平面,绕各自铰链旋转,上摆杆通过普通弹簧悬挂于基座,下摆杆通过零长弹簧悬挂于上摆杆.系统通过光电探测方法检测两根摆杆的夹角作为误差信号,经过闭环控制将反馈力作用于上摆杆,使两根摆杆的夹角为零.零长弹簧悬挂点的位置与系统刚度有着密切关系,通过精细地调节弹簧悬挂点的位置,合理地设置控制参数,可以实现一个本征频率低至0.01 Hz的系统.理论上,该系统相对于被动式垂直隔振系统具有更好的隔振效果和抗干扰能力,相对于传统的主动式垂直隔振系统体积更小,结构更简单,有望应用于精密物理实验和科学研究当中.     

基于红外反射传感器的三线摆周期测量装置

将红外反射传感器应用于三线摆周期测量装置,通过红外反射传感器将三线摆下盘的扭摆转换成电压信号的变化,利用数据采集系统采集并在电脑上实时显示与存储.改进后的实验装置相对误差仅有0.19%,准确度更高,调节简便、可靠性高.     

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.     

扭摆法测物体转动惯量的不确定度分析

扭摆法是测量物体转动惯量的有效方法,其不确定度分析是关键.本文推导了扭摆法测物体转动惯量准确的不确定度传递公式,得到各直接测量量及其不确定度对转动惯量不确定度的影响.并进行了算例分析.结果表明,扭摆法比三线摆测得物体的转动惯量的误差以及不确定度要小很多.这对实验方法的选择和仪器的研制具有重要的实际意义.     

以中国人名命名的物理学名词

 四 葛氏摆、葛峰及葛庭燧晶粒间界模型葛庭燧从1945年开始,用内耗方法研究金属晶粒间界的力学性质,发明了现在国际上广泛应用的低频扭摆内耗仪,这在内耗的研究史上是一个划时代的突破.在以后的教科书和物理学词典中,称这种扭摆装置为“葛氏摆”,将扭转线圈装置称为“葛氏弛豫计”.1957年,麦克伦在他的名著《金属的晶粒间界》中,专辟一章介绍葛庭燧方法,认为葛是把扭转振动和扭动线圈装置融为一体的第一人,将此装置命名为葛氏扭转是公正的.     

力学共振吸收谱探测耦合振动模式

提出探测复杂力学振动系统耦合振动模式的方法:通过测量力学振动系统中某一易于探测的振动模式对外力的响应行为,在该振动模式应变落后于应力的相位差-频率谱(表观机械能耗散-频率谱)中,除了能观察到与被测量振动模式本征频率所对应的相位变化外,与被测量振动模式耦合的其他振动模式也表现为共振吸收峰;从共振吸收峰的性质,如峰位、峰宽、峰高等可以得到相应耦合振动模式的本征频率、损耗以及耦合强度等信息.以倒扭摆力学系统为例,通过测量扭摆的扭转振动模式应变落后于应力的相位差-频率谱研究了扭摆系统中摆杆的进动振动模式.     

扭摆法测转动惯量实验装置的研究

传统的扭摆法测转动惯量多使用单线摆、三线摆等,针对传统的扭摆法测转动惯量装置的一些缺陷,比如由于产生摆动、计时方法不科学使计时结果不准确、装置不能保持在水平面上转动等造成的测量误差较大的问题,研究制造了一种新的实验装置。这套装置用涡卷弹簧提供扭摆的动力,用光电对管配合单片机进行精确计时,并且采用了变面接触为线接触等多种减小摩擦的设计来提高测量精度,使误差大大减小了。整套装置具有测量结果精确、操作简单、体积小、能测量不规则的及难以直立的物体的转动惯量、能很好地验证平行轴定理等优点。     

精密扭摆研究

本研究旨在提高扭摆精度。扭摆采用大理石——这取自地球的天然材料作摆盘;通过试验,挑选了Q值高、内耗小、剪切模量温度系数接近于零的恒弹性合金丝作为吊丝。特别是,我们把Saxl类型的每周期吸合一次的间断振荡摆回复到小阻尼情况下的自由振荡摆,减少对摆振动的人为干预;增加真空条件,以减少周围环境干扰,延长了阻尼时间;同时在摆盘中央安放多面反射镜环,增加测量点,变一周期仅测一次时间为同一周期测四次以上。这就提供了用计算机求阻尼振荡方程θi=Ae^-t_i/τsin(ωt_i+φ)数值解的条件,不但可直接测得周期T的变化,而且可望计算得振幅A、阻尼时间τ、初相角φ的变化。另外,在光电接收方面也作了一些改进。通过这些措施,我室的精密扭摆对周期的探测精度已比美国Saxl 1964年发表第一篇文章时的扭摆精度提高100倍;比其运转17年,经一再改进的扭摆精度提高10倍。测量有效数字6位至7位,周期相对误差一般达2×10^-6,最佳状况可达8×10^-7,基本达到预期设计要求,为将来探测引力异常,“区分长期间与短期间内频率起伏”提供了可能性。 关键词：     

基于智能手机磁性传感器测量重力加速

介绍了利用智能手机测量重力加速度的方法.该方法利用智能手机的磁性传感器和Sensor Kinetics App研究了双线摆的运动规律,通过Sensor Kinetics App绘制出"磁场强度-时间"图像,通过该图像计算出振动周期,并使用Origin对振动周期和摆长使用最小二乘法进行线性拟合处理,最终通过拟合直线斜率求出重力加速度.     

扭摆法测量物体转动惯量实验改革

在当前大学物理实验扭摆法测量物体转动惯量实验中,通常将"几何法"与"扭摆法"相互交织,导致实验过程逻辑混乱.本文提出删除用"几何法"倒推"扭摆法"中弹簧扭转常数K值这一环节,改用"定义法"直接测量K值,从而将"几何法"与"扭摆法"隔离,并重新设计了实验内容,使实验条理更加清晰.     

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。     

视频分析软件Tracker在复摆实验中的应用

利用视频分析软件Tracker的自动追踪功能,有效地追踪复摆的振动轨迹,描绘出振动的位移-时间曲线,拟合后得到角速度,并计算出振动周期,进而用等效摆长法和直线拟合法计算出重力加速度.     

直线拟合中确定最佳斜率的一个简易方法

物理实验中,常常需要根据实验测量所得到的一系列数据找出经验公式或规律.本文介绍在直线拟合中求得最佳斜率的一个简易方法[1]. 设在某些典型的物理实验中对两个相关的物理量测得一系列的数据｛(xiyi)｝,其中d=1,2,3,…标记测量次序号.把这列数据标绘在坐标图上,得出像图1所示的大体位于一条直线上的点列,由此可以确认在物理量x与y之间存在着一个线性关系: y=mx b,其中m是直线的斜率。b是直线在以轴上的截距.通常人们把这条直线叫做点列｛(xi,yi)｝的拟合线. 现在我们着重要讨论的问题是,在实验基础上怎样来求得最佳的直线斜率m.这里可供采…