本實用新型公開了一種音叉共振兼振動圖像演示儀，涉及一種結合激光演示音叉共振現(xiàn)象和振動圖像的實驗儀器，屬于物理教具。

背景技術：

在物理教學中，教師一般用兩個音叉來演示共振實驗，即共鳴實驗。音叉是呈“Y”形的鋼質或鋁合金發(fā)聲器，各種音叉可因其質量和叉臂長短、粗細不同而在振動時發(fā)出不同頻率的純音。實驗時，取兩個固有頻率相同的音叉a和b并讓其共鳴箱口對口放置，敲擊音叉a 使它發(fā)聲，過一會兒用手按住音叉a使其停止發(fā)聲，此時可以聽到?jīng)]有被敲擊的音叉b也發(fā)出了聲音。該常規(guī)實驗方案存在許多不足：(1)由于音叉a所發(fā)聲音的響度不夠，實驗現(xiàn)象不夠明顯；(2)由于音叉振動損耗明顯，導致音叉振動時間短，不能持續(xù)共鳴；(3)音叉振動幅度小，不易直接觀察。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述不足，可利用光放大及視覺暫留原理，設計一種結合激光演示音叉共振現(xiàn)象和振動圖像的實驗儀器。本實用新型采用如下技術方案：一種音叉共振兼振動圖像演示儀，包括透明箱、可旋轉底座、音叉、小鏡片、內置擴音器式音箱、小型音頻發(fā)生器、煙霧器、激光筆、左反光鏡、右反光鏡、電動六棱柱反光鏡、半透明塑料屏幕等，其特征是：透明箱具體包括透明箱本體、伸手操作用橢圓孔及黑紙等，所述黑紙粘貼在透明箱后側面內壁作為黑色背景，讓激光光線顯示更加清晰，所述伸手操作用橢圓孔設在左側下半位置，方便對透明箱內的器件進行操作；透明箱內固定擺放著音叉、內置擴音器式音箱、小型音頻發(fā)生器、煙霧器等器件，左右兩側面內壁分別粘貼有左反光鏡和右反光鏡；可旋轉底座裝在透明箱底部，可以用來旋轉透明箱，方便調整觀察角度；音叉具體包括共鳴箱、叉股和調頻件，調節(jié)調頻件的位置可以改變音叉的固有頻率；小鏡片貼在音叉叉股上，可隨音叉叉股一起振動；內置擴音器式音箱正對音叉的共鳴箱，具體包括音箱本體、內置擴音器、音箱開關、音量調節(jié)旋鈕及音箱接線等；小型音頻發(fā)生器，具體包括音頻發(fā)生器本體、開關、粗調頻率旋鈕、細調頻率旋鈕、數(shù)字顯示屏及輸出接口等，可以產(chǎn)生頻率為0-1000Hz的電信號并輸給內置擴音器式音箱；煙霧器內裝有煙餅，點燃后可以產(chǎn)生少量的煙，可以顯現(xiàn)激光光線的光跡；激光筆固定在透明箱右側面內壁靠近底部位置，可自由調整其角度，讓其發(fā)出的激光光線可射到小鏡片并被反射到右反光鏡上，接著通過左反光鏡、右反光鏡及電動六棱柱反光鏡多次來回反射到半透明塑料屏幕上；電動六棱柱反光鏡固定在透明箱右側面內壁靠近頂部位置，具體包括六棱柱反光鏡、電動機、電動機電源、電源開關及調速旋鈕等，打開電源開關能使六棱柱反光鏡隨電動機一起轉動；半透明塑料屏幕貼在透明箱左側面內壁靠近頂部位置，具體包括屏幕本體、直角坐標及刻度等。

本實用新型的原理具體說明如下：實驗時，小型音頻發(fā)生器能產(chǎn)生一定頻率的電信號并輸送到內置擴音器式音箱，內置擴音器式音箱能發(fā)出相應頻率的聲音，音叉的共鳴箱和叉股從而在聲音的作用下作受迫振動。當聲音的頻率等于音叉的固有頻率時滿足共振條件，此時音叉叉股振動最明顯。由于音叉叉股來回振動，激光筆發(fā)出的激光經(jīng)過小鏡片反射后會上下快速擺動，再經(jīng)過左反光鏡、右反光鏡及電動六棱柱反光鏡的多次反射后射到半透明塑料屏幕上，從而在透明箱有限的空間里達到了放大倍數(shù)足夠大的目的。由于視覺暫留原理，其激光光線在煙霧器產(chǎn)生的煙中顯現(xiàn)出一個“三角形亮區(qū)”及多個“四邊形亮區(qū)”的光跡并在半透明塑料屏幕上顯現(xiàn)一段“亮條”。當電動六棱柱反光鏡轉動時，又由于視覺暫留原理，又會在半透明塑料屏幕上快速顯現(xiàn)一條正弦曲線的振動圖像光跡。

(1)探究音箱聲音的頻率對音叉振動的影響

以選用固有頻率為440Hz的音叉為例，實驗時，根據(jù)要求固定好各器件，點燃煙霧器中的煙餅發(fā)出少量煙并擴散到整個透明箱，打開激光筆電源，此時在透明箱中只看到一條入射光線和多條反射光線。接著，讓小型音頻發(fā)生器發(fā)出一定頻率的電信號使內置擴音器式音箱發(fā)出聲音，通過音量調節(jié)旋鈕盡量調高音量后保持不變，通過小型音頻發(fā)生器調節(jié)電信號的頻率從400Hz增大到500Hz，在透明箱中可看到一個“三角形亮區(qū)”及多個“四邊形亮區(qū)”光跡，當輸入頻率為440Hz時音叉振動最明顯，“三角形亮區(qū)”及“四邊形亮區(qū)”光跡的面積也最大。實驗時，可以通過調頻件改變音叉的固有頻率，重復上述實驗步驟，可以發(fā)現(xiàn)只有當聲音頻率等于音叉的固有頻率時，音叉發(fā)生共振。

(2)探究音箱聲音的音量對音叉振動的影響

實驗時，可以保持輸入電信號的頻率不變，通過音量調節(jié)旋鈕改變內置擴音器式音箱所發(fā)聲音的音量，可以發(fā)現(xiàn)聲音音量越高，音叉振動越明顯，在透明箱中看到的“三角形亮區(qū)”及“四邊形亮區(qū)”光跡的面積也越大。

(3)演示音叉的振動圖像實驗

當六棱柱反光鏡未轉動時，在半透明塑料屏幕上留下一段“亮條”光跡。當閉合電動機電源開關并通過調速旋鈕調節(jié)轉速，使六棱柱反光鏡隨電動機一起以一定的轉速轉動，由于視覺暫留原理，在半透明塑料屏幕上會快速顯現(xiàn)一條正弦曲線的振動圖像光跡。

附圖說明

圖1是本實用新型整體的正視圖；

圖2是圖1中透明箱的簡易立體圖；

圖3是圖1中音叉的放大圖；

圖4是圖1中電動六棱柱反光鏡的放大圖；

圖5是圖1中音箱及小型音頻發(fā)生器的放大圖；

圖6是本實用新型工作原理的流程示意圖；

圖7是音箱未發(fā)出聲音時透明箱中的效果圖；

圖8是電動六棱柱反光鏡未轉動時屏幕上的效果圖；

圖9是電動六棱柱反光鏡轉動時屏幕上的效果圖。

圖中：1.透明箱，具體涉及1a.透明箱本體、1b.伸手操作用橢圓孔及1c.黑紙；2.可旋轉底座；3.音叉，具體涉及3a.共鳴箱、3b.叉股及3c.調頻件；4.小鏡片；5.內置擴音器式音箱，具體涉及5a.音箱本體、5b.內置擴音器、5c.開關、5d.音量調節(jié)旋鈕及5e.音箱接線； 6.小型音頻發(fā)生器，具體涉及6a.音頻發(fā)生器本體、6b.開關、6c.粗調頻率旋鈕、6d.細調頻率旋鈕、6e.數(shù)字顯示屏及6f.輸出接口；7.煙霧器，具體涉及7a.煙盒、7b.煙餅及7c.煙； 8.激光筆；9.左反光鏡；10.右反光鏡；11.電動六棱柱反光鏡，具體涉及11a.六棱柱反光鏡、 11b.電動機、11c.電動機電源、11d.電源開關及11e.調速旋鈕；12.半透明塑料屏幕，具體涉及12a.屏幕本體、12b.直角坐標及12c.刻度；13.激光光跡，具體涉及13a.入射光線、13b. 反射光線、13c.“三角形亮區(qū)”、13d.“四邊形亮區(qū)”、13e.“亮條”及13f.“正弦曲線”。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進一步說明。

結合圖1-圖5所示，一種音叉共振兼振動圖像演示儀，包括透明箱(1)、可旋轉底座(2)、音叉(3)、小鏡片(4)、內置擴音器式音箱(5)、小型音頻發(fā)生器(6)、煙霧器(7)、激光筆(8)、左反光鏡(9)、右反光鏡(10)、電動六棱柱反光鏡(11)、半透明塑料屏幕(12)等，其特征是：透明箱(1)具體包括透明箱本體(1a)、伸手操作用橢圓孔(1b)及黑紙(1c)等，所述黑紙(1c)粘貼在透明箱(1)后側面內壁作為黑色背景，讓激光光線顯示更加清晰，所述伸手操作用橢圓孔(1b)設在左側下半位置，方便對透明箱(1)內的器件進行操作；透明箱 (1)內固定擺放著音叉(3)、內置擴音器式音箱(5)、小型音頻發(fā)生器(6)、煙霧器(7)等器件，左右兩側面內壁分別粘貼有左反光鏡(9)和右反光鏡(10)；可旋轉底座(2)裝在透明箱(1)底部，可以用來旋轉透明箱(1)，方便調整觀察角度；音叉(3)具體包括共鳴箱(3a)、叉股(3b) 和調頻件(3c)，調節(jié)調頻件(3c)的位置可以改變音叉的固有頻率；小鏡片(4)貼在音叉叉股(3b) 上，可隨音叉叉股(3b)一起振動；內置擴音器式音箱(5)正對音叉的共鳴箱(3a)，具體包括音箱本體(5a)、內置擴音器(5b)、音箱開關(5c)、音量調節(jié)旋鈕(5d)及音箱接線(5e)等；小型音頻發(fā)生器(6)，具體包括音頻發(fā)生器本體(6a)、開關(6b)、粗調頻率旋鈕(6c)、細調頻率旋鈕(6d)、數(shù)字顯示屏(6e)及輸出接口(6f)等，可以產(chǎn)生頻率為0-1000Hz的電信號并輸給內置擴音器式音箱(5)；煙霧器(7)內裝有煙餅，點燃后可以產(chǎn)生少量的煙(7c)，可以顯現(xiàn)激光光線的光跡；激光筆(8)固定在透明箱(1)右側面內壁靠近底部位置，可自由調整其角度，讓其發(fā)出的激光光線可射到小鏡片(4)并被反射到右反光鏡(10)上，接著通過左反光鏡(9)、右反光鏡(10)及電動六棱柱反光鏡(11)多次來回反射到半透明塑料屏幕(12)上；電動六棱柱反光鏡(11)固定在透明箱(1)右側面內壁靠近頂部位置，具體包括六棱柱反光鏡(11a)、電動機(11b)、電動機電源(11c)、電源開關(11d)及調速旋鈕(11e)等，打開電源開關(11d) 能使六棱柱反光鏡(11a)隨電動機(11b)一起轉動；半透明塑料屏幕(12)貼在透明箱(1)左側面內壁靠近頂部位置，具體包括屏幕本體(12a)、直角坐標(12b)及刻度(12c)等。

結合圖1和圖6，本實用新型的原理具體說明如下：實驗時，小型音頻發(fā)生器(6)能產(chǎn)生一定頻率的電信號并輸送到內置擴音器式音箱(5)，內置擴音器式音箱(5)能發(fā)出相應頻率的聲音，音叉(3)的共鳴箱(3a)和叉股(3b)從而在聲音的作用下作受迫振動。當聲音的頻率等于音叉(3)的固有頻率時滿足共振條件，此時音叉叉股(3b)振動最明顯。由于音叉叉股(3b)來回振動，激光筆(8)發(fā)出的激光經(jīng)過小鏡片(4)反射后會上下快速擺動，再經(jīng)過左反光鏡(9)、右反光鏡(10)及電動六棱柱反光鏡(11)的多次反射后射到半透明塑料屏幕(12)上，從而在透明箱(1)有限的空間里達到了放大倍數(shù)足夠大的目的。由于視覺暫留原理，其激光光線在煙霧器(7)產(chǎn)生的煙(7c)中顯現(xiàn)出一個“三角形亮區(qū)”(13c)及多個“四邊形亮區(qū)”(13d) 的光跡并在半透明塑料屏幕(12)上顯現(xiàn)一段“亮條”(13e)，具體效果見圖1和圖8。當電動六棱柱反光鏡(11)轉動時，又由于視覺暫留原理，又會在半透明塑料屏幕(12)上快速顯現(xiàn)一條正弦曲線(13f)的振動圖像光跡，具體效果見圖9。

(1)探究音箱聲音的頻率對音叉振動的影響

如圖7所示，以選用固有頻率為440Hz的音叉(3)為例，實驗時，根據(jù)要求固定好各器件，點燃煙霧器(7)中的煙餅(7b)發(fā)出少量煙(7c)并擴散到整個透明箱(1)，打開激光筆(8)電源，此時在透明箱(1)中只看到一條入射光線(13a)和多條反射光線(13b)，具體效果見圖7。

如圖1所示，接著讓小型音頻發(fā)生器(6)發(fā)出一定頻率的電信號使內置擴音器式音箱(5) 發(fā)出聲音，通過音量調節(jié)旋鈕(5d)盡量調高音量后保持不變，通過小型音頻發(fā)生器(6)調節(jié)電信號的頻率從400Hz增大到500Hz，在透明箱(1)中可看到一個“三角形亮區(qū)”(13c)及多個“四邊形亮區(qū)”(13d)光跡，當輸入頻率為440Hz時音叉(3)振動最明顯，“三角形亮區(qū)” (13c)及“四邊形亮區(qū)”(13d)光跡的面積也最大。實驗時，可以通過調頻件(3c)改變音叉(3) 的固有頻率，重復上述實驗步驟，可以發(fā)現(xiàn)只有當聲音頻率等于音叉(3)的固有頻率時，音叉 (3)發(fā)生共振。

(2)探究音箱聲音的音量對音叉振動的影響

結合圖1和圖5，實驗時，可以保持輸入電信號的頻率不變，通過音量調節(jié)旋鈕(5d)改變內置擴音器式音箱(5)所發(fā)聲音的音量，可以發(fā)現(xiàn)聲音音量越高，音叉(3)振動越明顯，在透明箱(1)中看到的“三角形亮區(qū)”(13c)及“四邊形亮區(qū)”(13d)光跡的面積也越大。

(3)演示音叉的振動圖像實驗

結合圖1和圖4，當六棱柱反光鏡(11a)未轉動時，在半透明塑料屏幕(12)上留下一段“亮條”(13e)光跡，具體效果見圖8。當閉合電動機電源開關(11d)并通過調速旋鈕(11e) 調節(jié)轉速，使六棱柱反光鏡(11a)隨電動機(11b)一起以一定的轉速轉動，由于視覺暫留原理，在半透明塑料屏幕(12)上會快速顯現(xiàn)一條正弦曲線(13f)的振動圖像光跡，具體效果見圖9。

總之，該音叉共振兼振動圖像演示儀作為一種物理教具，不僅可用來觀察音叉共振時的現(xiàn)象，而且還可用來演示音叉的振動圖像。該教具采用音箱驅動音叉共振達到了持續(xù)共振的目的；采用光放大原理解決了音叉振動幅度小不易直接觀察的問題；采用視覺暫留原理，實驗原理和方法巧妙，實驗現(xiàn)象明顯直觀，體現(xiàn)了教具的科學性、教學性及探究性及趣味性。