專利名稱：一種水平往復運動的倒擺動力學特性演示實驗儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明專利屬物理演示實驗儀器．涉及一種倒擺動力學特性演示實驗儀．
背景技術：
近年來，許多面向二十一世紀的大學物理教材中均把非線性理論納入其中．許多院校的教師講授這部分內容，通常采用計算機輔助手段展示系統運動的圖象．缺少專業(yè)實驗演示儀．作為教學內容改革的重點之一，需要設計一個簡單的能呈現混沌運動現象的演示裝置．

發(fā)明內容
本發(fā)明專利的目的是提供一種周期性外力受驅動的水平往復運動的倒擺動力學特性演示實驗儀演示倒擺的非線性動力學特性，從而揭示了此系統的倍周期分岔現象的運動特性．讓大學本科生了解和認識什么是混沌及其特征等基本概念和理論．本發(fā)明受驅振動的演示實驗儀主要直觀地演示在變頻電機驅動下的倒擺振子的擺動角度特性的時域圖．即將倒擺置于水平往復運動的小車平臺上；小車一端有一剛性曲柄連桿與變頻電機相連，通過電機轉動產生周期性外力驅動系統，使它在光滑水平面上沿水平方向作往復直線運動，即構成一個簡單的受迫振動系統。
本儀器結構簡單，演示混沌原理，效果良好．演示倒擺的非線性動力學特性，可以時時讀取擺球的擺動角度，能夠直觀地從一個真實的物理系統(或其它系統)中觀察到混沌運動的存在．通過控制箱的RS-232接口與PC計算機相連，在計算機上自主開“倒擺運動狀態(tài)實時監(jiān)控工具”軟件在顯示器上可觀察到擺球的擺動曲線圖。


圖1為水平往復運動的倒擺動力學特性演示實驗儀的結構示意圖(正視圖)圖2為水平往復運動的倒擺動力學特性演示實驗儀的結構示意圖(后視圖)圖中11—擺球 2—擺桿 3—盤式彈簧 4—平板小車 5—曲柄連桿相連 6—變頻電機 7—電機供電及信號電纜 8—控制箱 9-RS-232接口 10—數據線 11—驅動輪盤12—底板 13—平板小車的固定柱 14—零點調節(jié)手柄 15—中心軸桿 16—滑桿固定柱17—滑道 18—顯示板 19 U型有機玻璃固定架圖2中20—旋轉編碼盤 7—電機供電及信號電纜 9—RS-232接口 10—數據線 16—滑桿固定柱下面結合附圖對本發(fā)明加以進一步描述，本發(fā)明的結構、特點，本發(fā)明包括力學系統和測量系統力學系統的結構用長約40cm，寬約20cm，厚約1cm的有機玻璃做小車的平板4．平板下安裝四個有套管的立柱13，而底板12上有六個立柱16均勻地固定兩平行滑桿即滑道17，小車平板4通過四個套管固定13在底板12上的兩水平滑桿17上，套管上有油槽，小車4一端用一剛性曲柄連桿5與變頻電機6相連，電機6以一定圓頻率使驅動輪盤11轉動，通過曲柄連桿5使小車4在水平光滑桿17上沿固定軌道做直線往復運動，即構成一個簡單的受迫振動系統．測量系統的結構主要有可控制箱8；變頻電機6(0～30V)；擺桿2和旋轉編器20等。
1)用U型有機玻璃19將彈簧3和擺桿2固定在平板小車4上，彈簧3的一端固定在擺桿2上距中心軸15O點為A處，另一端固定在可調節(jié)的旋鈕14上，通過旋鈕14可改變擺桿2的初始位置(即調零)；擺桿2一端固定在中心軸15的中心點O處，另一端安裝擺球1，在中間可分成兩段，用約1cm長的金屬套管以螺旋結構銜接固定，上半段可更換不同長度，起到改變擺長的作用，在平板上，擺后面垂直固定具有角度刻度的有機玻璃板18。
2)在實驗過程中，當控制箱8通過電機供電及信號電纜7給電變頻電機6供電，使用電機帶動驅動輪盤11轉動后使小車這個非線性系統沿水平方向往復運動，利用旋轉編碼器20接收元件采集數據(如圖2所示)后通過數據線10送到控制箱8，再由控制箱通過RS-232接口9與PC計算機相連，在計算機上通過自主開“倒擺運動狀態(tài)實時監(jiān)控工具”軟件顯示器上可觀察到擺球1擺動曲線圖，另外軟件在它所在的目錄下自動保存了此數據的“*.txt”文件。
權利要求
1.一種水平往復運動的倒擺動力學特性演示實驗儀，其特征是包括力學系統和測量系統，力學系統的結構用小車的平板(4)下安裝四個有套管的立柱(13)，底板(12)上有六個立柱(16)均勻地固定兩平行滑桿即滑道(17)，小車平板(4)通過四個套管固定(13)在底板(12)上的兩水平滑桿(17)上，套管上有油槽，小車(4)一端用一剛性曲柄連桿(5)與變頻電機(6)相連，電機(6)以一定圓頻率使驅動輪盤(11)轉動，通過曲柄連桿(5)使小車(4)在水平光滑桿(17)上沿固定軌道做直線往復運動，即構成一個簡單的受迫振動系統；測量系統的結構主要有可控制箱(8)；變頻電機(6)；擺桿(2)和旋轉編器(20)，用U型有機玻璃(19)將彈簧(3)和擺桿(2)固定在平板小車(4)上，彈簧(3)的一端固定在擺桿(2)上距中心軸(15)O點為A處，另一端固定在可調節(jié)的旋鈕(14)上，通過旋鈕(14)可改變擺桿(2)的初始位置，擺桿(2)一端固定在中心軸(15)的中心點O處，另一端按裝擺球(1)，在中間可分成兩段，用約1cm長的金屬套管以螺旋結構銜接固定，上半段可更換不同長度，以達到改變擺長的作用，在平板上，擺后垂直固定具有角度刻度的有機玻璃板(18)。
2.按權利要求1的一種水平往復運動的倒擺動力學特性演示實驗儀，其特征是利用旋轉編碼器(20)接收元件采集數據，后通過數據線(10)送到控制箱(8)，再由控制箱通過RS-232接口(9)與PC計算機相連。
全文摘要
一種水平往復運動的倒擺動力學特性演示實驗儀本發(fā)明屬物理演示實驗儀器。涉及一種倒擺動力學特性演示實驗儀。本發(fā)明受驅振動的演示實驗儀主要直觀地演示在變頻電機驅動下的倒擺振子的擺動角度特性的時域圖。將倒擺置于水平往復運動的小車平臺上；小車一端有一剛性曲柄連桿與變頻電機相連，通過電機轉動產生周期性外力驅動系統，使它在光滑水平面上沿水平方向作往復直線運動，即構成一個簡單的受迫振動系統。本儀器結構簡單，演示混沌原理，效果良好。演示倒擺的非線性動力學特性，可以時時讀取擺球的擺動角度，能夠直觀地從一個真實的物理系統(或其它系統)中觀察到混沌運動的存在。
文檔編號G09B23/10GK1716341SQ2005100169
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權日2005年6月24日
發(fā)明者陳麗宏, 夏彬, 張鐵民 申請人:東北師范大學