力学类设计实验讲义

力学类设计实验讲义

力学仪器平台介绍 1、仪器清单

1）+50N力传感器(CI-6537)、力传感器支架和碰撞缓冲器(CI-6545)， 2）转动传感器(RMS)(CI-6538)、转动传感器设备附件(CI-6692)， 3）运动传感器II（CI-6742）， 4）光电门及其附件（ME-9498A）， 5）加速度传感器（CI-6558）， 6）动力学轨道装置(ME9458)，

动力学小车(ME-9430)、碰撞小车(ME-9454)、可调的终点挡板、角度指示器(ME-9495) 7）机械振荡驱动器ME-8750， 8）旋转系统（ME-8950A），

转动平台(ME-8951)、转动惯量附件(ME-8952)、向心力附件(ME-8953) 9）电子天平，

10）配件：条形金属块、橡皮泥、弹簧若干、支撑棒、橡胶头插线（SE-9750）等， 11）双踪示波器、信号发生器、电源DC18V/5A（SE-9720）、功率放大器II（CI-6552A）等， 12）PASCO计算机750型接口、500型接口、电脑。 2、传感器说明

传感器是一种利用先进的传感技术，吸收、转换和传递能量的器件，可以实时采集物理实验中各种变化物理量的数据。实验所用的传感器分有模拟型和数字型两种，既可单独使用，也可组合使用。

力学实验涉及的传感器有：力传感器、运动传感器II、转动传感器、加速度传感器、光电门等。

力传感器 CI-6537

CI-6537 ± 50力传感器要与PASCO的计算机接口配套使用，该型号的力传感器输出电压范围-8 V ~ +8V，测量范围-50 N ~ +50 N，即-50 N的力能产生-8 V的电压输出，+50 N的力能产生 +8 V的电压输出，0电压则表示受力为0（一般将推力作为正值，拉力作为负值）。传感器内置应变装置，使其在受超过50N外力的情况下不会遭到损坏。

典型应用：

1）测量弹性与非弹性碰撞中的力； 2）测量由振动物体产生的力； 3）测量回转力等。

翼型螺钉

固定支撑棒孔

安装螺钉的螺纹孔

可分离挂钩 可分离小钩

调零按钮

连接计算机接口

Force Sensor Parts

力传感器及其配件

技术指标：

1）力的范围：-50N到+50N； 2）灵敏度：0.03N或3.1克；

3）调零按钮：按住后此时输出电压约为0；

4）过载保护：机械停止以保护超过50N的力损坏传感器； 5）连接器: 计算机接口与传感器连接线缆。

操作要点：

1）校准力传感器，力传感器的输出电压与受力（输入信号）为线性关系，使用两点校准（如受力为零和受已知力两种状态），测量两个状态的信号与已知标准比较校准后，再进行读数。

2）传感器在使用过程中可以按住调零按钮随时进行调零。例如，在数据采集前对力传

感器进行调零，此时的受力条件被认为是零受力，这种状态传感器可保持30分钟左右。 3）力传感器可安装在PASCO小车顶部、支撑棒和力传感器架上，具体操作请参照CI-6537和CI-6545的说明书进行。

运动传感器II CI-6688

窄波束/标准波束开关

超声换能器

目标指示器 发光二极管

位置调节转盘

弹簧夹

黑色缆线插头（连接2、3、4数字通道）

黄色缆线插头（连接1、2、3数字通道）

Motion Sensor II Parts

运动传感器及其配件

PASCO CI-6742型运动传感器II运用超声波脉冲技术测量目标物体的位置，测量范围为0.15m-8m。运动传感器发出超声波脉冲，遇到目标后声波反弹，传感器探测其返回声波，与PASCO的接口一起使用，由声波的速度和声波返回总时间的一半，经数据采集处理软件可计算出目标的距离，根据距离与时间的测量，还可计算出目标速度和加速度。

典型应用：

1）测量目标物体位置，速度和加速度； 2）研究碰撞过程中的能量与动量； 2）测量弹簧上质点的正弦运动；

3）可以用来监控大目标(如学生本身)的运动。

技术指标：

1）测量范围：15cm—8m； 2）传感器测量旋转角度：360度；

3）超声波“窄波束”/“标准波束”选择：“Narrow”设置适用范围为15cm—2m，可杜绝错误目标信号和空气噪声；“Standrad”设置适用范围为15cm—8m；

4）连接器: 计算机接口与传感器连接线缆。 操作要点：

1）运动传感器与计算机接口相连时，将传感器的黄色缆线插头插入750 接口的数字通道1（或1、2，或3），黑色缆线插头插入750 接口的数字通道2（或2、3，或4）。注意：传感器的两根缆线插头要插在接口的相邻的两个数字通道中，并且应将黄色缆线插入小序号的通道插孔。

2）校准运动传感器，将传感器对准1米远的固定目标（默认测量距离），单击软件中“校准/Calibrate”按钮，程序会根据默认测量距离和声波来回反射的时间计算出声波的速度。

3）运动传感器的超声波脉冲触发频率有两种设置：5次/秒（适合运动相对慢且距离远的实验数据记录），或20次/秒（适合快速事件的数据记录如自由落体实验）。

4）“Narrow”/“Standrad”开关”选择，应基于实际情况而定。若实验中探测物体的距离在2米或2米以内，且目标具有较频繁的反射运动（如典型的动力学导轨实验），则此时应选择“Narrow，该设置可避免导轨附近的干扰信号和气垫导轨的噪声。若实验中探测距离长且目标物体反射运动很少，则选择“Standrad”。当传感器在标准波束状态（即为“Standrad”设置时），旋动传感器位置转盘将超声换能器翘起5-10度，可达最佳测量效果。

5）若有多个物体处于运动传感器测量范围，则传感器检测的是最近位置的物体，当传感器捕获目标后，前面板的发光二极管进行闪动提示；如果传感器没有检测到目标物体，接口则会停止测量，此时应重新放置目标物体和传感器再测一次。 6）运动传感器具体操作请参照CI-6742的说明书进行。

转动传感器 CI-6538

PASCO的CI-6538型转动传感器（RMS）是一种由PASCO 750接口支持运行的双向位置

传感器。它的核心是一个光学编码器，每转（360°）最多可采集1440个数据点。通过数据采

集与处理软件可以设置每转采集数据点的个数，有360个数据点和1440个数据点（即分辨率

为1°或360°）两种设置，旋转的方向同样可被感知。转动传感器最常用于测量物体的转动角度与转动位置。

典型应用： 1）角动量的测量；

2）盘和环的转动惯量、质点的转动惯量测量； 3）力与位移关系测量；

4）装有重滑轮的小车加速度测量； 5）张力与角度测量； 6）简谐振动测量。

三级滑轮

翼形螺钉

杆座夹：用于固定传感器

O形圈

转动轴

T型槽孔：用于固定线性运动附件

杆座夹附加安

固定平台

装位置

传感器盒 接线插头

转动传感器零部件

技术指标：

1）三级滑轮：直径分别为10 mm, 29 mm, 48mm ； 2）灵敏度：1度和0.25度；

3）最大速度: 在灵敏度为1度时,13转/秒；在灵敏度为0.25度时,3.25转/秒； 4）传感器尺寸：10×5×3.75cm ； 5）连接器: 计算机接口与传感器连接线缆。 操作要点：

1）转动传感器分辨率的选择与实验中转动传感器的转速有关，若传感器的转速很快，则选择低分辨率（360分割/转），以控制采样数据的增长率；若传感器转速较慢，则选择高分辨率（1440分割/转），这样可以得到精细些的采样数据。

2）如果使用转动传感器进行线性运动的测量，则选择安装线性运动的相关配件，并在数据采集与处理软件窗口设置界面的“线性测量”选择中选取合适的选项。 3）转动传感器具体操作请参照CI-6538的说明书进行。

光门ME-9498A

可拆卸RJ12连接头 光电门

超级滑轮

Photogate parts

光门及其附件

光门传感器相当于一个数字毫秒计，它通过测量固定挡光宽度（S）和挡光时间(t)，从而可以得到该物体经过光门时的运动速度(v=S/t)。光门加上一个超级滑轮，可组成智能滑轮，用来监控低摩擦滑轮的转动情况。滑轮有10根辐条，每根辐条相当于一个挡光板，

滑轮转动的角速度ω只与辐条辐角θ 有关，与光电门在何处探测滑轮转速无关。 用角速度乘以滑轮的半径R，就可以得到滑轮外边沿的线速度v=ωR。R是一个可变量，改变它得到的是相应半径处的线速度，线位移，线加速度，而角位移，角速度，角加速度是不变的。所以利用智能滑轮就可以实现有关运动物理量的自动测量和记录。

典型应用： 1）匀速运动的速度， 2）自由落体，

3）倾斜平面上运动学实验， 4）发射速度， 5）小车的加速度实验。

技术指标：

1）滑轮：转动惯量测量范围1.8×10kg.m、摩擦系数 ＜7×10、直径=5cm、质量=5.5g；2）感光设备: 宽: 7.5cm ,上升时间: ＜500ns ； 3）透光孔灵敏度: ＜1mm；

4）连接器: 计算机接口与传感器连接线缆。

操作要点：

1）当光门的光被挡住时，与光门相连的数字通道为0电压状态；光门透光时，与光门相连

-6

2

-3

的数字通道为5V电压状态。

2）光门的“门内时间”的测量，当单位为s，即秒时，指的是遮光时间，即数字通道0电压状态的维持时间；当单位为m/s，即米/秒时，指的是挡光旗长与遮光时间的比值，即某定长的挡光旗通过光门时的平均速度。

3）光门传感器具体操作请参照ME-9498A的说明书进行。

加速度传感器CI-6558

8针DIN缆线

安装于动力小车

加速度传感器是一个独特的传感器类型，它可以记录几乎所有应用中的加速度数据。直

上的固定支架

接将传感器接入“科学工作室500型”接口就可以制成一个轻便的加速度测量设备。

DIN连接头

典型应用：

动力小车碰撞实验，升降机实验，汽车以及过山车实验。 仪器包括：

加速度传感器（附有2米连接线缆）

计算机接口

加速度传感器

Acceleration Sensor Parts

加速度传感器及其配件

PASCO CI-6558型加速度传感器与连接PASCO的计算机接口及其相关数据接口与处理软件，可以测量5倍于重力加速度的范围，根据加速度的方向，该传感器的输出分正和负，可在+5 gt到-5g范围内变化。其精度为0.01 g （g =重力加速度， 9.8 m/s2)。

典型应用：

1）测量沿斜面下滑小车的加速度； 2）测量小车碰撞时的加速度； 3）测量自由落体的加速度；

4）利用500系列接口的远程数据采集接收性能，测量电梯、汽车和过山车的加速度。

技术指标： 1）测量范围：+5g； 2）灵敏度：0.01g

3）调零按钮：零重力输出；传感器应答设置：可选开关；

4）频率响应选择：“slow” 用于测量升降机加速实验，过山车实验及汽车实验测量中的高

频震荡与噪声；“fast” 用于测量瞬时实验数据如小车碰撞实验；

5）连接器：计算机接口与传感器连接线缆。

操作要点：

1）加速度传感器已在出厂时进行了校准，其精度为0.05 g 或者 0.5 m/s2，对于大多数实验无需再进行校准工作。

2）加速度传感器的“调零按钮”，用于将当下的加速度输出置于0，不管目前有没有加速度，即可去掉重力场的加速度效果。

3）频率响应设置，"slow"/"fast"，对于不同的应用选用不同挡频率响应设置。例如，对于测量电梯、过山车和汽车的加速度应选用"slow"挡，该挡可减少由于高频振动和噪声所产生的错误；对于测量动力学系统的相关测量，如碰撞小车实验，则可选择"fast"挡。

4）使用加速度传感器进行加速度测量是有方向性的，实验时注意按加速度传感器表面

所示箭头方向进行加速度的测量，可测得该方向的最大加速度数值。

5）加速度传感器具体操作请参照CI-6558的说明书进行。

动力学导轨系列

动力学是理论力学的一个分支学科，它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。动力学的研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。 动力学以牛顿第二运动定律为核心，这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。在工程等实际问题中，所接触到的宏观物体的运动速度都远小于光速，经典动力学仍是解决实际工程问题的基础。 我们在动力学导轨上可设计实验进行碰撞现象的研究、简谐振动的研究以及进行加速度、物体惯性质量及导轨摩擦力等物理量的测量。

推荐仪器

动力学小车、导轨、天平、细绳、末端挡板、弹簧、转动传感器、力传感器、运动传感器、 光电门、机械振荡驱动器ME-8750

碰撞类设计实验

基础实验内容

小车受力的测量和小车速度的测量。 要求：

1、熟悉力传感器和运动传感器的使用，；

2、熟悉数据采集处理软件DataStudio的使用；

3、掌握使用力传感器进行小车受力的测量，以及使用运动传感器进行小车速度的测量；给出计算机实测图表，可用时间或位置等量为X轴，力、速度为Y轴，图表需文字说明或标注，清晰表示。

拓展设计内容

1．碰撞现象的研究

利用计算机实测数据与测量曲线说明小车在发生完全非弹性碰撞和弹性碰撞过程中的动量与动能的情况，进行分析，最终给出实验结论。 推荐研究方向：

1）研究碰撞前后的动量变化 2）研究碰撞前后的动能变化 ．．．．．．

实验前思考：

1）各类碰撞对系统总动量/动能的影响； 2）摩擦力对于系统总动量/动能的影响；

3）分析动量/动能图表碰撞瞬间测量曲线发生突变的原因； 4）哪些因素造成了实验数据与理想数据间的误差等等。

2、材料的碰撞性能研究

材料碰撞性能的研究在实际生活工作中有着重要作用，了解材料的碰撞性能可以将降低碰撞带来的危害。利用实验室所提供的PASCO导轨平台、各类传感器和待测材料，对材料

的碰撞性能进行测试与研究。 推荐研究方向：

1） 同一材料，不同厚度碰撞性能的研究； 2） 同一材料，不同碰撞面积碰撞性能的研究； 3） 同一材料，不同碰撞速度碰撞性能的研究； 4） 相同条件下，不同材料碰撞性能的研究。 ．．．．．．

实验前思考：

1） 哪些物理量可以用来衡量材料的碰撞性能？ 2） 实验室提供的哪些设备可以测量这些物理量？

３、导轨上可进行的物理量测量

根据牛顿第二定律F=ma，在动力学导轨上设计实验进行以下物理量的测量。 推荐研究内容： 1）（重力）加速度的测量； 2）物体质量的测量；

3）动力导轨摩擦力的测量。 实验前思考：

1）使用实验室所提供的PASCO导轨平台、各类传感器如何进行以上物理量的测量？

振动类设计实验

振动是声学、地震学、建筑力学、机械原理、造船等所必需的基础知识，也是光学、电学、交流电工学、无线电技术以及原子物理学所不可缺少的基础，这是因为除机械振动外，自然界中还存在很多类似于机械振动的现象。在不同的振动现象中最基本最简单的振动是简谐振动,一切复杂的振动都可以分解为一系列不同频率的简谐振动组合而成，这样的分解在数学上的依据是傅立叶级数或傅立叶积分的理论。让我们从研究最基础的简谐振动开始进行振动的研究吧。 基础实验内容

振子振动周期的测量

要求：

1、熟悉光电门的使用；

2、熟悉数据处理软件DataStudio的使用；

3、使用光电门测量导轨上由弹簧和动力学小车组成的振子的振动周期。

拓展设计内容

1、 弹簧振子振动周期的研究

导轨上弹簧和小车组成的振子，测量弹簧振子的运动周期，并与理论值进行比较； 推荐研究方向：

1）振子振动周期与振子质量变化的关系； 2）斜面上振子振动周期与斜面倾角的关系； ．．．．．．

实验前思考：

1） 弹簧振子的理论周期是什么？

2） 实验中如何测量弹簧振子的振动周期？ 3） 弹簧振子周期会随着倾角的改变而改变吗？ 4） 随着倾角改变平衡位置会改变吗？ 5） 比较实验值和理论值，进行结果分析。

２、弹簧的串并联研究

测量单根弹簧的弹性系数，实验中应用不同力拉伸弹簧到不同的长度来确定，使用DataStudio软件画出力与拉伸长度曲线，给出图表，求得直线的斜率就等于弹性系数K。

测量串联弹簧和并联弹簧的弹性系数，并与单根弹簧的弹性系数相比较，得到弹簧串并联的弹性系数数学公式。比较实验值和理论值，进行结果分析。 推荐研究方向：

1）弹簧弹性系数K的测量 2）串联弹簧弹性系数的测量 3）并联弹簧弹性系数的测量 实验前思考：

１）单根弹簧的弹性系数理论公式是什么？

２）两根弹簧串联后，其弹性系数与单根弹簧的弹性系数的关系怎样？ ３）两根弹簧并联后，其弹性系数与单根弹簧的弹性系数的关系怎样？

３、利用弹簧振子测量物体惯性质量

应用弹簧振子作简谐振动进行物体惯性质量的测量，实验中通过测量振子的周期而得到测量待测物质量。比较实验值和理论值，进行结果分析。 实验前思考：

1）理论上弹簧振子的质量与其振动周期关系是什么？ 2）待测物体质量与振动周期是怎样的关系？

4、利用导轨上的弹簧振子研究受迫振动

在动力小车的两端各连接一弹簧，两根弹簧的自由端分别与导轨上的可调末端缓冲器和通过振荡驱动器导向孔的细线相连。使用不同频率驱动这一系统，进行稳定后系统受迫振动的研究。还可使用两个小车和三节弹簧组成另一振荡系统。注意：当更换驱动频率时，系统需花些时间响应，待其稳定后观察其振幅的改变。

推荐研究方向：

1） 振荡系统振幅最大时，受迫振动频率与固有频率的关系。

2） 振荡系统速度有最大值时，即为速度共振时，受迫振动频率与固有频率的关系。 实验前思考：

1） 什么是受迫振动？

2） 稳定的受迫振动为速度共振的特点是什么？产生条件是什么？ 3） 稳定的受迫振动为位移共振的特点是什么？产生条件是什么？

音叉与弦音计系列

一切机械波在有限大小的物体中进行传播时会形成各式各样的驻波。驻波是常见的一种波的叠加现象，它广泛存在于自然界中，特别是众所周知的音乐。乐器的制造实际上是一件发声的物理仪器的制造，都是利用管、弦、膜、板等的振动形成的。振动体都有一个基频和多个谐频，基频决定振动体的音调，而各谐频则决定其音色。基频相同的各振动体，其各谐频的能量分布可以不同，所以音色不同。例如小提琴和钢琴同奏基频为440Hz（A调），其音调是相同的，但听起来音色不同，就是因为这两种乐器所包含的谐频不同所致。对于音乐性质的研究如音质的好坏、乐器材料的性能等等都是物理测量。

推荐仪器

固定频率音叉、弦音计、不同线密度金属弦线、不同质量砝码若干、示波器、信号发生器、压电陶瓷头、话筒、激光器、硅光电池等；

弦振动类设计实验

基础实验内容

一段金属弦线共振模式的观察 要求：

1）掌握产生驻波的原理，观察弦上形成的驻波； 2）改变弦线振动频率，观察弦上驻波的变化； 3）改变弦线线长，观察弦上驻波的变化； 4）通过实验，得到线长与波长的数学关系。

拓展设计内容

1、 研究弦线上波的传播

通过对不同金属弦线、相同金属弦线不同长度共振时相关量的测量，确定共振发生时波速与弦线性质的关系。 推荐研究方向：

1）测量金属弦线上波的传播速度，研究弦线线密度对波速的影响，并得到数学关系。

2）测量金属弦线上波的传播速度，研究弦线的紧张程度对波速的影响，并得到数学关系。 3）测量金属弦线上波的传播速度，研究弦线的弹性对波速的影响； 4）测量金属弦线上波的传播速度，研究弦线的粗细对波速的影响； 实验前思考：

1）弦线上形成驻波的条件是什么？ 2）弦线上波的传播速度如何测量？ 3）弦线振动的传播规律怎样？ 2、弦振动频谱的研究

测量弦线振动的基频，找出相同基频的弦线，并进行音色（谐频）的比较。 实验前思考：

1）弦线的基频如何测量？

2）弦线谐频的振幅与频率如何影响音色？ 3）如何评判乐器音质的好坏？

音叉振动类设计实验

基础实验内容

应用电磁感应测量音叉的共振频率。利用电磁铁激发音叉，使其振动起来，观察其驻波，测量音叉共振频率。

图 电磁感应测量音叉固有频率

要求：

1）理解音叉共振产生的条件； 2）掌握驻波的形成与特征；

3）观察由于音叉振动所引起的弦上驻波；

4）利用驻波法测量音叉固有频率，并与其标准值进行比较。

拓展设计内容

1．音叉固有频率的研究

音叉是一种振动频率已知的声学器件，有许多方法可以测量音叉的共振频率。其基音很强，泛音很弱，所以其共振频率是音叉性质和其共振环境性质的最佳体现。当改变音叉性质，如在音叉双臂的不同位置增加不同质量等，或音叉处在不同的共振环境下，对其共振频率均有改变。让我们对音叉的共振频率好好开始研究吧。 推荐研究方向：

1）设计其它方法进行音叉固有频率的测量； 提示：如使用压电效应（如压电陶瓷片）、电磁感应（如铁磁线圈）激发音叉振动，使用驻波法或声电转换法（如话筒）进行音叉固有频率的测量；选用硅光电池、激光器等组成实验装置测量音叉的固有频率。

2）音叉浸没在各类不同液体中时，其共振频率的变化研究； 3）音叉在同一液体不同液位高度时，其共振频率的变化研究；

4）改变音叉双臂质量对其共振频率关系的研究（此法可以延伸进行物体质量的测量）。 实验前思考：

1）除电磁感应外，引起音叉共振的方法有哪些？

2）什么是压电效应？什么是压电陶瓷片？它有哪些应用？如何用压电陶瓷片测量音叉的固有频率？

3）使用声电转换法（如话筒）如何进行音叉共振频率的测量，是否还有其他方法可将音叉振动的声信号转化为电信号？

4）什么是光电效应？什么是内光电效应？什么是光电池？硅光电池有哪些特性？激光有哪些特点？如何选用硅光电池、激光器等组成实验装置测量音叉的共振频率？ 5）音叉在液态介质中共振频率的改变可有哪些应用？ 6）音叉质量的改变对其共振频率将有怎样的改变？

受迫振动实验

推荐仪器

转动传感器（CI-6538）、机械谐振子/驱动（ME-8750）、大型支架底座及钢支架、弹簧若干 实验用细绳（SE-8050）、电源DC18V/5A（SE-9720）、橡胶头插线（SE-9750）、功率放大器 II （CI-6552A）等。

基础实验内容

测量振子受迫振动的稳态频率

测量振子受迫振动稳态频率，实验中的振子由带滑轮的铝质圆盘构成，滑轮通过细绳与两根弹簧相连。该装置通过两个转动传感器记录圆盘和驱动源的角位置和角速度，可通过减少磁铁和铝盘之间的间隔来调节阻尼大小。

铝制圆盘

转动传感器 电源 (DC 18V/5A)

机械驱动源

功率放大器II

图1 受迫振动仪器安装图

实验原理提示： 1）扭摆

实验中使用一条细绳绕在圆盘上，细绳两端分别连接两根弹簧，这样圆盘可以来回摆动，就像一个扭摆。圆盘在竖直平面内转过一定角度θ后，在弹簧恢复力矩的作用下，物体开始绕其中心轴的往返摆动。这样的摆动具有简谐振动的特性。 2）受迫振动

物体在周期性外力的持续作用下发生的振动为受迫振动，这种周期性的外力称为驱动力。受迫振动是物体在线性回复力、阻力和驱动力共同作用下的运动，本实验的阻力是可调磁阻尼，驱动力有机械驱动源提供。受迫振动稳态时的振动角频率即为驱动力的角频率，稳定振动时外力所作功正好等于阻尼消耗的能量。当驱动力的幅值一定时，随驱动力的角频率

改变，稳定的受迫振动有位移共振和速度共振两种现象出现。阻尼越小位移共振时的位移幅值就越大，速度共振时的速度幅值也越大。 仪器安装

图

2 机械驱动器安装

图3 绕线与磁铁安装

1）如图2所示, 把驱动器安装在支架的底部，同时在该支架上安装第一个转动传感器。转动传感器的安装方向如图1所示。

2）关于驱动器，旋转驱动器的臂使其垂直向下。在其臂上连接一条绳子并将该绳穿过驱动器的顶部。将该绳绕过转动传感器大滑轮，一端系在弹簧的一端。把弹簧靠近转动传感器一端系好。

3）在顶端用一个十字棒把两个垂直棒连接起来，如图1。 4）安装第二部转动传感器在十字棒上。

5）系一小段绳子（几厘米长）在底座螺钉上，连接第二根弹簧的一端。

6）割一段绳子约1.5米长，把它绕在第二部转动传感器中间档两圈，如图3所示，用螺钉连接圆盘到转动传感器上。

7）要完整安装这两个弹簧，把穿过滑轮的线的每一端分别系在弹簧的一端并保证两边张力相等：该圆盘能向任何一边转180度而拉伸的弹簧不会碰到转动传感器的滑轮。 8）连接磁制动配件到转动传感器一边，如图3，调整磁性螺钉以使磁铁离圆盘1.0 cm。 9）驱动回路的接线图如图5所示，在这个实验中，由750接口上信号发生器提供一个斜坡电压给驱动器。然而，因为驱动马达是以低电压停止工作的，有望获得最大量的数据点，必须有一个剩余电压，因此最低电压是大约1V。该剩余电压由DC功率器提供。

10）把圆盘转动传感器插头插入750接口1和2通道，黄色插头插入通道1；把驱动器转动传感器插头插入3和4通道，黄色插头插入通道3；功率放大器插入通道A。 11）打开DataStudio 文件中 "Driven Harmonic".

实验操作提示：

1）测量共振频率，断开DC功率器，关闭DataStudio上的信号发生器。打开START按钮，转动圆盘，让其振动。点击STOP按钮。用Smart指示器在圆盘振动图上测量周期。 2） 合上DC功率计，置电压1V，点击DataStudio上信号发生器的 Auto按钮；点击DataStudio上的START，因为信号发生器预置频率0.001 Hz,数据采集时间为1000秒（18分钟），然后点击STOP。

3）调节磁阻尼螺钉，分别距离圆盘0.5 cm/0.2 cm/0.1 cm，进行数据采集。

推荐研究方向

1）受迫振动相同阻尼的情况下，振动幅值和驱动频率的关系，作位移幅值与驱动力频率的位移共振曲线；

2）受迫振动相同阻尼的情况下，振动速度幅值和驱动频率的关系，作速度幅值与驱动力频率的速度共振曲线；

3）受迫振动不同阻尼的情况下，磁阻尼对位移共振曲线的影响，曲线形状变化（如曲线宽度，最大振幅，最大频率、是否对称等）；

4）受迫振动不同阻尼的情况下，磁阻尼对速度共振曲线的影响，曲线形状变化（如曲线宽度，最大振幅，最大频率、是否对称等）。

实验前思考

1） 受迫振动中，驱动力频率对振动系统有什么影响？ 2） 如何测量系统摆动的周期？

3） 在无磁阻尼情况下实验振动系统的固有频率ω是多少？

4） 当实验的振动系统出现位移共振或速度共振现象时，驱动力频率与系统固有频率的关系

怎样？

图5 驱动回路接线图

信号发生器功率放大器

Function Generator Power Amplifier

参考文献

1． 普通物理学，程守洙、江之水主编，高等教育出版社，1999年。 2． 大学物理实验PASCO实验专辑，熊永红等主编，华中科大 3． 物理实验教材，成都电子科大，

4． PASCO Physiccs Experiment Guide 2001，2003

转动系列实验

在任何情况下其形状和大小都不发生任何变化的物体称为刚体。刚体与质点都是物理学研究物体运动的理想模型，选择质点模型还是选择刚体模型应视所研究的问题而定。当物体的形状和大小与所研究的问题无关时应该选择质点模型，反之选择刚体模型。刚体的运动一般可以比较复杂，平动和绕固定轴的转动是最为简单的两种运动形式。实际上，刚体任何更复杂的运动，都可以看作是平动和转动这两种运动的简单的和复杂的合成。PASCO转动实验提供了丰富的附件，再结合传感器和计算机技术，可以实现数据的自动采集和测量，你可以凭自己的兴趣爱好和所具备的刚体运动的知识，适当组合仪器便可做许多刚体转动方面的实验研究。通过实验可以学习仪器的配置及安装，传感器原理和使用以及有关软件的功能和使用方法，提高我们对物理规律的理解（能量守恒，角动量守恒，平行轴定理）和动手能力。

推荐仪器

转动平台ME-8951、向心力配件ME-8952、转动惯量配件ME-8953、智能滑轮及计时程序、光电门、砝码及挂钩组、天平、卡尺、细绳、纸夹（为<1g的砝码而备）

质点转动类设计实验

基础实验内容

质点线速度和角速度的测量。

要求：

1、熟悉转动传感器和光门端头的使用；

2、熟悉数据采集处理软件DataStudio的使用；

3、掌握使用转动传感器或光门端头进行质点线速度和角速度；给出计算机实测图表，用时间为X轴，线速度和角速度为Y轴，图表需文字说明或标注，清晰表示。 拓展设计内容

1、质点转动惯量的研究

测量质点的转动惯量，并与理论值进行比较。 推荐研究方向：

1）同一质点，不同转动半径转动惯量的测量； 2）同一质点，不同转动力矩转动惯量的测量； ．．．．．．

实验前思考：

1）如何消除摩擦力对测量结果的影响； 2）装置转动惯量与质点转动惯量的关系；

3）哪些因素造成了实验数据与理想数据间的误差等等。

2、质点角动量守恒的研究

验证定轴转动质点的角动量守恒定律。 推荐研究方向：

1）质点初始位置与末位置转动惯量的测量； 2）验证质点角动量守恒；

3）采用两种不同传感器验证质点角动量守恒； ．．．．．．

实验前思考：

1）如何在转动过程中改变质点的转动半径； 2）如何消除摩擦力对测量结果的影响； 3）装置转动惯量与质点转动惯量的关系；

刚体转动类设计实验

基础实验内容

刚体角速度和角加速度的测量。

要求：

1、熟悉转动传感器和光门端头的使用；

2、熟悉数据采集处理软件DataStudio的使用； 3、掌握使用转动传感器或光门端头盘和环角速度和角加速度的测量；给出计算机实测图表，用时间为X轴，角速度和角加速度为Y轴，图表需文字说明或标注，清晰表示。 拓展设计内容

1、盘和环转动惯量的研究

测量盘和环的转动惯量，并与理论值进行比较。 推荐研究方向：

5） 测量盘的转动惯量和盘对直径的转动惯量； 6） 测量盘的转动惯量和环的转动惯量； ．．．．．．

实验前思考：

1）如何消除摩擦力对测量结果的影响；

2）哪些因素造成了实验数据与理想数据间的误差等等。

2、圆盘绕偏轴的转动惯量的研究

测量盘绕平行于质心轴的轴转动的转动惯量。 推荐研究内容：

1）固定圆盘对偏轴的转动惯量测量； 2）自由圆盘对偏轴的转动惯量测量； ．．．．．．

实验前思考：

1）如何消除摩擦力对测量结果的影响； 2）装置转动惯量与圆盘转动惯量的关系；

3）哪些因素造成了实验数据与理想数据间的误差等等。

3、刚体角动量守恒的研究

验证定轴转动刚体的角动量守恒定律；

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2lr4.html