УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ЯВЛЕНИЙ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
DEVICE FOR INVESTIGATING OSCILLATORY PHENOMENA AND METHOD OF USING SAID DEVICE

Предлагаемое устройство относится к области физики. Может быть использовано для исследования колебательных, в том числе резонансных явлений в различных объектах и для демонстрации опытов в учебном процессе.
Известно устройство для наблюдения механического резонанса [1, с.189]. Оно состоит из размещенных на общей раме набора упругих пластин разной длины и маховика со смещенной осью вращения. Разбалансированный маховик приводят во вращение и рама вибрирует. Со временем вращение маховика замедляется, частота вибрации рамы уменьшается. При совпадении частоты колебаний рамы с собственной частотой колебаний той или иной пластины определенной длины возникает резонансное раскачивание определенной пластины. По мере замедления вращения маховика и уменьшения частоты колебаний рамы начинается раскачивание следующей, более длинной пластины. Таким образом, резонанс последовательно, поочередно возбуждается у всех пластин, размещенных на раме.
Недостатком известного устройства [1] является отсутствие возможности заранее задавать и контролировать параметры явления резонанса, например амплитуду, частоту, фазу вынуждающей силы и колебаний осциллятора, коэффициента затухания, добротности осциллятора. При использовании известного устройства эксперимент носит только качественный характер, а обучающий эффект носит весьма ограниченный характер.
Известно [2] устройство для изучения явления резонанса пружинного маятника. Устройство состоит из груза, подвешенного на пружине. К пружине через шкив прикладывают переменную силу от электромотора. При вращении электромотора груз колеблется в цилиндре с амплитудой, зависящей от частоты вынуждающей силы и сопротивления воздуха.
Недостатками такого устройства [2] являются низкая точность воспроизводимости результатов измерений, снижающие обучающий эффект и ограничивающие область применения.
Прототипом предлагаемого устройства является прибор для измерения вязкости жидкости по затуханию колебаний камертона [3]. Устройство состоит из камертона с двумя ножками. Около одной из ножек закреплен микрофон, подключенный к микрофонному входу звуковой платы компьютера. На одной из ножек камертона закреплен зонд, погруженный в исследуемую среду.
Ударом молоточка вызывают колебания камертона. Со временем колебания затухают, амплитуда колебаний камертона с зондом уменьшается. Чем больше вязкость жидкости, тем быстрее затухают колебания камертона с зондом, погруженным в исследуемую жидкость. Микрофон регистрирует затухающий звуковой сигнал от камертона. Компьютер по заданной программе вычисляет коэффициент затухания и вязкость исследуемой среды.
Недостатком прототипа [3] является узость области применения. Прототип позволяет исследовать только жидкие среды и не применим для исследования газообразных сред - из-за низкой чувствительности и разрешающей способности, наличия и влияния собственной резонансной частоты микрофона, искажающей сигнал. Кроме того, точность измерений искажает и снижает влияние внешнего шума, например, в учебной лаборатории. Недостатки прототипа ограничивают область его применения, понижают его обучающую способность.
Целью создания предлагаемого устройства является расширение области применения путем контролируемого изменения параметров резонирующего объекта, например его собственной частоты, путем изменения пространственного распределения элементов массы осциллятора, например формы, повышение наглядности и качества обучения.
Цели достигают тем, что в устройстве для исследования колебательных явлений, состоящем из источника вынуждающих колебаний, осциллятора с зондом, погруженным в исследуемую среду, детектора колебаний, осциллятор выполняют с регулируемой собственной частотой колебаний, в качестве источника колебаний применяют звуковой динамик, соединенный со звуковой платой компьютера, в качестве детектора колебаний применяют катушку индуктивности, соединенную со звуковой платой компьютера, зонд выполняют в виде тонкой пластины с возможностью его поворота и фиксации во взаимно перпендикулярных плоскостях, для управления процессом измерения, обработки и представления результатов используют компьютер со специальной программой.
В качестве исследуемой среды используют жидкие или газообразные вещества. В качестве регулятора собственной частоты колебаний осциллятора применяют подвижно-фиксируемый груз. Вязкость среды определяют сравнением значений коэффициентов сопротивления β, определяемых из резонансных кривых осциллятора, с зондом, погруженным в различные эталонные и исследуемые вещества.
Сравнительный анализ распределения масс различных тел выполняют путем поочередного прикрепления эталонного и исследуемого тел к осциллятору, получения резонансных кривых эталонного и исследуемого тела и сравнения степени подобия полученных резонансных кривых.
Предлагаемое устройство состоит из осциллятора, источника вынуждающего воздействия и детектора колебаний. Источником вынуждающего воздействия является, например, звуковой динамик, соединенный со звуковой платой персонального компьютера. Детектором колебаний является, например, катушка индуктивности, соединенная со звуковой платой персонального компьютера. В качестве осциллятора применяют, например, камертон. Далее описывается устройство с камертоном в качестве осциллятора.
Один из вариантов предлагаемого устройства схематически изображен на фиг.1.
Устройство состоит из основания 1 со стойкой 2, на которой смонтирован камертон 3 с ножками, например, намагниченными, и резонаторным ящиком 4, зондом 5 в виде пластины с поворотно-фиксирующим приспособлением 6 и подвижной муфтой 7 с фиксирующим приспособлением 8 и отсчетной шкалой 9. Около намагниченной ножки камертона закреплен, например, на расстоянии 1 см детектор 10 в виде катушки индуктивности, электрически подсоединенный к микрофонному входу 11 звуковой платы компьютера 12. На основании 1 установлена емкость 13 с исследуемой средой 14, например стакан с жидкостью. У входа резонаторного ящика 4 установлен, например, на расстоянии 1 см звуковой динамик 15, электрически соединенный с линейным выходом 16 звуковой платы компьютера 12.
Устройство работает следующим образом. Перед началом работы убеждаются в исправности устройства. Включают компьютер и запускают специальную программу «Резонанс».
По команде с компьютера 12 звуковой динамик 15 испускает и направляет звуковую волну заданной частоты ω и амплитуды А в резонаторный ящик 4 и вызывает колебания камертона 3. Под воздействием механических колебаний намагниченной ножки камертона в катушке индуктивности 10 возникает электродвижущая сила индукции (далее - ЭДС). ЭДС изменяется с частотой механических колебаний ножки камертона и является аналоговым сигналом, выдаваемым катушкой индуктивности 10 и подаваемым к микрофонному входу 11 звуковой платы компьютера 12. Аналоговый сигнал катушки индуктивности 10 преобразуется в цифровой сигнал в звуковой плате компьютера 12 для дальнейшей автоматической обработки в программе «Резонанс». Аналоговый сигнал характеризует колебательный процесс, например частоту, интенсивность и фазу колебаний камертона.
Рабочее окно программы показано на фиг.2. В рабочем окне программы содержатся следующие элементы управления: панель «Регистрация сигнала», содержащая поле «Интервал считывания (мс)» для ввода значения интервала считывания в миллисекундах и кнопку «Включить датчик». Панель «Вынуждающее воздействие» включает в себя поля для ввода «Частота (Гц)» и «Длительность (с)» и кнопку «Включить». Панель «Автоматическая регистрация» содержит поля для ввода «Диапазон от», «до», «с шагом в» и «длительность воздействия (с)», а также кнопку «Начать» и индикатор прогресса сканирования (в процентах). Кроме того, в рабочем окне присутствуют индикатор «Уровень сигнала» и протокол событий и измерений.
Непрерывную регистрацию сигнала производят, например, следующим образом. Указывают интервал считывания в поле для ввода «Интервал считывания (мс)», определяющий промежуток времени, в течение которого данные в виде оцифрованных сигналов с детектора 10 накапливают в памяти компьютера. Данные подвергаются программой дальнейшей обработке. Включают регистрацию сигнала кнопкой «Включить датчик». В процессе регистрации воздействуют на камертон, например, вынуждающим воздействием в виде звуковой волны, создаваемой звуковым динамиком 15 с заданной частотой и длительностью. Эти параметры (частоту и длительность) задают в полях для ввода «Частота (Гц)» и «Длительность (с)» панели «Вынуждающее воздействие». Задав параметры, нажимают кнопку «Включить» на той же панели. После этого на экране компьютера через промежутки времени, указанные в поле для ввода «Длительность (с)», появляется график зависимости величины амплитуды колебаний камертона (в условных единицах измерения) от времени (далее по тексту - регистрограмма).
Автоматическую регистрацию амплитуды сигнала производят, например, следующим образом. Указывают диапазон частот, при которых сканируют амплитуды колебаний камертона. Для этого вводят граничные значения и шаг сканирования в поля для ввода «Диапазон от», «до» и «с шагом в». В поле для ввода «Длительность воздействия (с)» вводят длительность воздействия на камертон звуковой волной заданно-определенной частоты. Затем нажимают кнопку «Начать». Компьютер генерирует звуковые колебания заданной длительности с частотами из заданного диапазона сканирования и через звуковой динамик направляет звуковые колебания на вход резонаторного ящика 4. Камертон начинает колебаться с частотой вынуждающих звуковых колебаний. По истечению времени, заданного в окошке «Длительность воздействия (с)» для каждого значения частоты из диапазона сканирования, программа находит максимальное значение сигнала камертона. Сигнал описывает амплитуду колебаний камертона в зависимости от времени. Таким образом получают зависимость амплитуды вынужденных колебаний камертона от частоты внешнего воздействия.
0
0
Собственную частоту камертона ω и коэффициент затухания β находят аппроксимацией экспериментальной зависимости амплитуды колебаний осциллятора x(ω) функцией [2]
где А - амплитуда вынуждающей силы,
ω - частота колебаний вынуждающей силы.
Исследование резонансных явлений выполняют, например, следующим образом.
Производят настройку устройства - путем выбора пользователем условий воздействия на камертон. К условиям воздействия относятся, например, интенсивность звуковых колебаний от звукового динамика 15, расстояние от звукового динамика 15 до входа резонаторного ящика 4. Условия воздействия выбирают, например обеспечивающими наибольшую амплитуду получаемого от камертона сигнала при наименьшей интенсивности вынуждающего воздействия. Включают непрерывную регистрацию сигнала. Находят область резонансной частоты камертона как область частот вынуждающего воздействия, где отклик камертона, например амплитуда колебаний, будет наибольшим среди всех остальных. Длительность вынуждающего воздействия определенной частоты на камертон выбирают после анализа регистрограммы (на экране компьютера), как промежуток времени от начала вынуждающего воздействия до момента, когда амплитуда колебаний камертона перестает существенно меняться.
0
Для получения резонансной кривой пользователь проводит автоматическую регистрацию сигнала, указав в качестве диапазона сканирования интервал частот, в середине которого находится найденная вышеуказанным путем резонансная частота. При этом длительностью воздействия указывают длительность воздействия, определенную вышеуказанным путем. Таким образом, пользователь получает резонансную кривую. По резонансной кривой аппроксимацией экспериментальной зависимости амплитуды колебаний осциллятора x(ω) функцией (1) находят значения резонансной частоты и коэффициента затухания.
Устройство позволяет регулируемо изменять резонансную частоту камертона. Для этого по ножке камертона 3 в выбранное положение передвигают подвижную муфту 7 и закрепляют муфту при помощи фиксирующего приспособления 8. Таким образом изменяют момент инерции и соответственно собственную частоту колебаний камертона. Регулируемое изменение собственной частоты колебаний камертона контролируемо изменяет резонансную частоту колебаний камертона.
Приведенные примеры показывают, что предлагаемое устройство и способы его применения позволяют, в отличие от прототипа, всесторонне исследовать колебательные процессы, в том числе резонансные, наглядно демонстрировать изучаемые процессы в ходе обучения.
Кроме того, предлагаемое устройство применяют для сравнительного анализа вязкостей жидких и газообразных веществ. Если плотность исследуемого вещества больше плотности воздуха, то исследуемое вещество помещают в емкость 13, например стакан. Если плотность исследуемого вещества меньше плотности воздуха (например, газ легче воздуха), то всю установку переворачивают, предварительно закрепив емкость 13, и помещают исследуемое вещество под колпак, образованный емкостью 13, например, перевернутым вверх дном стаканом. При малой вязкости вещества (газ, маловязкая жидкость) поворотно-фиксирующим приспособлением 6 закрепляют зонд 5 так, чтобы плоскость зонда-пластины 5 была перпендикулярна плоскости колебаний камертона. Этим увеличивают чувствительность прибора. При высокой вязкости исследуемого вещества зонд 5 закрепляют так, чтобы плоскость зонда-пластины 5 была параллельна плоскости колебаний.
Предлагаемое устройство применяют для сравнения массы и распределения массы исследуемого тела и эталона. Для этого к осциллятору-камертону прикрепляют эталон и получают резонансную кривую. Затем вместо эталона прикрепляют исследуемое тело и получают другую резонансную кривую. О степени подобия распределения массы эталона и исследуемого тела судят по степени подобия полученных резонансных кривых.
Использование предлагаемого устройства позволяет всесторонне исследовать колебательные явления, в том числе резонансные, слышимого диапазона частот.
Компьютер воспринимает, обрабатывает и представляет сигнал на экране компьютера в удобном цифровом и графическом виде. Наглядность эксперимента обеспечивает то, что экспериментатор на слух воспринимает изменение частоты вынуждающего воздействия и отслеживает происходящие изменения, прикосновением к осциллятору тактильно проверяет наличие колебаний. Пользователь осознанно варьирует все исходные условия для наблюдения резонанса и с высокой точностью регистрирует все его параметры, например резонансную кривую, коэффициент затухания, соотношение фаз колебаний осциллятора и вынуждающей силы, добротность колебательной системы, декремент затухания. Таким образом, по сравнению с прототипом, существенно расширяется область применения устройства для изучения колебательных явлений. Кроме того, применение компьютера позволяет существенно расширить область исследований и возможности эксперимента, повышает наглядность опытов и таким образом обеспечивает высокий дидактический эффект учебного эксперимента.
Использованные источники
1. Буров В.А. Учебное оборудование по физике в средней школе. Пособие для учителей. / Под редакцией А.А.Покровского. - М.: Просвещение, 1973. - 480 с.
2. Практикум по общей физике. Под ред. Проф. В.Ф.Ноздрева. М., «Просвещение», 1971, с.76-85.
3. Жданов А.Г., Пятаков А.П. Измерение динамической вязкости жидкости по затуханию колебаний камертона. Журнал «Физическое образование в вузах», 2002. Т.8, №4. - С. 117-126.