受迫振动和阻尼振动物理实验报告

实验名称：受迫振动和阻尼振动实验目的：观测阻尼振动，学习测量振动系统基本参数的方法；研究受迫振动的幅频特性和相频特性，观察共振现象；观测不同阻尼对受迫振动的影响。实验原理：有粘滞阻尼的阻尼振动弹簧和摆轮组成一振动系统，设摆轮转动惯量为J，粘滞阻尼的阻尼力矩大小定义为角速度dθ/dt与阻尼力矩系数γ的乘积，弹簧劲度系数为k，弹簧的反抗力矩为-kθ。忽略弹簧的等效转动惯量，可得转角θ的运动方程为记ω0为无阻尼时自由振动的固有角频率，其值为ω0=EQ\R(,k/J)，定义阻尼系数β=γ/（2J），则可解得，阻尼振动角频率为，阻尼振动周期为周期外力矩作用下受迫振动的解在周期外力矩Mcosωt激励下的运动方程和方程的通解分别为一般t>>τ后，就有稳态解稳态解的振幅和相位差分别为其中，φ的取值范围为（0，π），反映摆轮振动总是滞后于激励源支座的振动。电机运动时的受迫振动运动方程和解弹簧支座的偏转角的一阶近似式可以写成式中αm是摇杆摆幅。由于弹簧的支座在运动，运动支座是激励源。弹簧总转角为。于是在固定坐标系中摆轮转角θ的运动方程为于是得到由θm的极大值条件可知，当外激励角频率时，系统发生共振，θm有极大值。引入参数，称为阻尼比。于是，我们得到主要的实验仪器及实验步骤实验仪器：波耳共振仪实验步骤：打开电源开关，关断电机和闪光灯开关，阻尼开关置于“0”档，光电门H、I可以手动微调，避免和摆轮或者相位差盘接触。手动调整电机偏心轮使有机玻璃转盘F上的0位标志线指示0度，亦即通过连杆E和摇杆M使摆轮处于平衡位置。染货拨动摆轮使偏离平衡位置150至200度，松开手后，检查摆轮的自由摆动情况。正常情况下，震动衰减应该很慢。开关置于“摆轮”，拨动摆轮使偏离平衡位置150至200度后摆动，由大到小依次读取显示窗中的振幅值θj；周期选择置于“10”位置，按复位钮启动周期测量，体制时读取数据。并立即再次启动周期测量，记录每次过程中的的值。（1）逐差法计算阻尼比ζ；（2）用阻尼比和振动周期Td计算固有角频率ω0。依照上法测量阻尼（2、3、4）三种阻尼状态的振幅。求出ζ、τ、Q。开启电机开关，置于“强迫力”，周期选择置于“1”，调节强迫激励周期旋钮以改变电机运动角频率ω，选择2个或3个不同阻尼比（和任务3中一致），测定幅频和相频特性曲线，注意阻尼比较小（“0”和“1”档）时，共振点附近不要测量，以免振幅过大损伤弹簧；每次调节电机状态后，摆轮要经过多次摆动后振幅和周期才能稳定，这时再记录数据。要求每条曲线至少有12个数据点，其中要包括共振点，即φ=π/2的点。数据处理：阻尼振动：阻尼档为0时，阻尼档为2时，阻尼档为4时，受迫振动：阻尼档为2时，T(s)ω/ω0Θ(°)Φ（°）Φ理论（°）(φ-φ理论)/φ1.3871.05532163.5164.4-0.00541.3931.05134162.5163.1-0.00371.3991.04639160.5161.6-0.00681.4021.04444159.5160.7-0.00781.4061.04147158.5159.5-0.00631.4131.03653157.0156.90.00061.4281.02571147.0148.7-0.01171.4501.010129105.5122.3-0.15961.4551.00613493.5112.1-0.19851.4581.00413485.5105.0-0.22861.4561.00513590.0109.8-0.21981.4631.00113172.592.4-0.27461.4680.99712364.079.6-0.24341.4720.99511759.570.0-0.17641.4830.9879745.049.4-0.09771.5000.9767331.531.8-0.00992.阻尼档为4时，T(s)ω/ω0Θ(°)Φ（°）Φ理论（°）(φ-φ理论)/φ1.5030.9616140.027.30.31651.5010.9626442.028.10.33011.4970.9646746.029.90.35081.4910.9687250.032.90.34301.4780.9778364.541.60.35551.4660.9859082.053.70.34551.4620.9889190.058.90.34591.4550.99289100.569.50.30821.4441.00079119.089.50.24781.4251.01357141.0122.10.13371.4161.02052146.0133.00.08891.4001.03140154.0145.90.0523讨论做受迫振动实验时