[實用新型]一種旋轉矢量演示儀

無效

• 申請號: 200820155387.8
• 申請日: 2008-11-14
• 公開（公告）號: CN201331862Y
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 張鵬程;楊黨強;馬蕓;鄭君婧
• 申請（專利權）人: 上海電機學院
• 主分類號: G09B23/10
• 分類號: G09B23/10
• 代理公司: 上海翼勝專利商標事務所（普通合伙）
• 代理人: 刁文魁;翟 羽

【技術領域】

本實用新型涉及教學實驗演示儀器技術領域，具體地說，是物理學教學中的一種旋轉矢量演示儀。

【背景技術】

物體運動時，如離開平衡位置的位移(或角位移)按余弦函數的規律隨時間變化，這種運動叫做簡諧振動，它的數學表達式是：

x＝Acos(ωt+φ)????①

式中，A為振動的振幅，ω為振動的角頻率，t為任意時刻，φ為振動的初相位。

若這三個描述簡諧振動的特征量都知道了，就可以寫出振動的完整的表達式，描繪出振動的曲線，也就掌握了簡諧振動的特征，這種研究簡諧振動的方法叫振動曲線表示法。

簡諧振動與勻速圓周運動有簡單的對應關系。設質點P在半徑為A的圓周上以勻角速度ω沿逆時針方向旋轉，以圓心O為原點，取直角坐標系xoy；設質點P的位矢經過與x軸夾角為φ的位置時開始計時，則在任意時刻t，此位矢與x軸的夾角ωt+φ，而質點在x軸上的投影為：

x＝Acos(ωt+φ)????②

此式與簡諧振動的定義式①相同。

由此可知，作勻速圓周運動的質點在某一直徑(取作x軸)上投影的運動就是簡諧振動，圓周運動的角速度就是簡諧振動的角頻率，半徑等于簡諧振動的振幅，初始時刻作圓周運動的質點的位矢與x軸的夾角就是簡諧振動的初相。

由此可知，勻速圓周運動與簡諧振動有一一對應關系。因此，常可以借助勻速圓周運動來來研究簡諧振動，以簡化計算，對應的圓周叫參考圓。簡諧振動的這種表示法叫向量圖示法(旋轉矢量法)。

中學和大學的物理教學中都會講到簡諧振動問題，并需要做簡諧振動的演示和實驗。目前，做這樣的演示和實驗時通常使用彈簧振子，但是，這種教學儀器的演示只能讓學生觀察簡諧振動的現象，不能將勻速圓周運動與簡諧振動的關系對應起來，不能演示旋轉矢量端點在垂直坐標軸上的投影，不能演示振動曲線，不能演示簡諧振動的旋轉矢量法和振動曲線法之間的關系，因此，其教學演示的作用是非常有限的。

【實用新型內容】

本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種結構簡單、輕便、形象直觀、演示效果較好的物理學教學的演示儀器，方便教學的進行、學生理解的提高。

為實現上述目的，本實用新型采取的技術方案是：

一種旋轉矢量演示儀，包括箱體、演示面板、背板和電子控制器，其特征是，在演示面板上畫圓、正弦曲線和投影線，在圓周上均勻地鉆12個小孔，在正弦曲線的對應點上鉆13個小孔，在投影線的對應點上鉆7個小孔，每個小孔內安裝一個6V的小燈泡，三部分對應點上的小燈泡用導線和電子控制器連接起來；在演示面板上設置電源開關、自動/手動選擇按鈕，清零開關、暫停開關和單脈沖開關；在箱體1內設置電子控制器、電子元器件和連接導線，電子控制器由集成電路制成，主要由電源、時鐘、邏輯控制電路、輸出驅動器組成；在背板上設置電源插座。

可選的、所述的邏輯控制電路包括一個記數集成塊、一個譯碼集成塊，以及兩個雙D觸發器、12個二輸入與非門集成塊。

可選的、所述的記數集成塊為一種74LS92的計數器，譯碼集成塊為74LS154的譯碼器，雙D觸發器為一種74LS74，二輸入與非門集成塊為一種74LS00。

旋轉矢量在初始位置開始第一周旋轉時，演示面板上圓周起點的燈泡和正弦曲線0°點上的燈泡一起點亮，而正弦曲線360°點上的燈泡不亮；當旋轉矢量旋轉一周回到初始位置時，圓周起點上的燈泡、正弦曲線0°和360°點上的燈泡都點亮，下一個振動周期開始。

所述的暫停開關按一次，燈光位置保持不變，再按時，計數器、譯碼器開始工作。

當自動/手動選擇按鈕處于“手動”位置時，由IC₂組成的基本R-S觸發器產生單脈沖，按一次單脈沖開關，產生一個脈沖，燈光向前移動一個位置。

電子控制器的電源為給電子控制器供電的+5V電源和給6V小燈泡供電的交流電源。

本實用新型一種旋轉矢量演示儀是根據簡諧振動可用旋轉矢量表示這一基本原理設計而成的，演示儀主要由旋轉矢量圖和振動曲線圖兩組燈泡及電子控制器組成，可以演示旋轉矢量端點在垂直坐標軸上的投影；演示振動曲線；演示簡諧振動的旋轉矢量法和振動曲線法之間的關系。在演示簡諧振動的旋轉矢量表示法和振動曲線表示法時，在電子控制器的控制下，旋轉矢量圖和振動曲線圖上的兩組燈泡分別按順序點亮，將兩種方法進行比較，使其一目了然，易學易懂。

本實用新型一種旋轉矢量演示儀的積極效果是：