利用全信息聲發(fā)射儀實(shí)現(xiàn)恢復(fù)系數(shù)與重力加速度的快速測(cè)量

李 輝 閆向宏 亓 鵬 趙 今

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院，山東 青島 266580)

恢復(fù)系數(shù)和重力加速度是普通物理學(xué)中兩個(gè)重要的物理參量?；謴?fù)系數(shù)反映了在碰撞過(guò)程中系統(tǒng)恢復(fù)形變的能力，也反映了碰撞過(guò)程中能量的損失情況，在許多學(xué)科中都有廣泛的應(yīng)用[1-4]。對(duì)于彈性碰撞的理論探討[5-10]及恢復(fù)系數(shù)的測(cè)量方法[11-14]前人已作了大量的研究。重力加速度的測(cè)量常采用落球法或單擺法[15-17]?；謴?fù)系數(shù)和重力加速度這兩個(gè)物理測(cè)量結(jié)果的精度都取決于微小時(shí)間間隔的測(cè)量精度，為此本文利用先進(jìn)的DS2型全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀構(gòu)建了彈性碰撞恢復(fù)系數(shù)和重力加速度快速測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用聲發(fā)射信號(hào)分析儀高速的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)時(shí)記錄碰撞過(guò)程的時(shí)域波形，為后續(xù)提取高質(zhì)量的相鄰兩次碰撞時(shí)間間隔序列提供保障，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)恢復(fù)系數(shù)和重力加速度的快速準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)代化、智能化升級(jí)[18-21]，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)代化也是大勢(shì)所趨。

1 測(cè)量原理

設(shè)質(zhì)量為m的小球從高度h處自靜止開(kāi)始自由下落，以速率V0與一靜止且質(zhì)量較大的水平面發(fā)生彈性碰撞，碰撞后小球上升速率為V1，根據(jù)普通物理學(xué)中有關(guān)一維彈性碰撞恢復(fù)系數(shù)定義，則有

(1)

式(1)中，g為重力加速度；h1為小球第一次與水平面碰撞后上升高度。令小球第一次與水平面碰撞時(shí)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，則第n次與水平面碰撞到第n+1次碰撞所需時(shí)間為

(2)

其中hn為小球第n次與水平面碰撞后上升高度，可由下式給出

(3)

則小球與水平面間碰撞的時(shí)間序列Tn滿足

(4)

對(duì)式(4)兩邊取自然對(duì)數(shù)，可得

(5)

由式(5)可知，小球與水平面間碰撞次數(shù)n 與lnTn之間滿足線性關(guān)系，由該直線的斜率與截距即可求得小球與水平面之間一維彈性碰撞的恢復(fù)系數(shù)e和重力加速度g。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置

由DS2型全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀組成的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置如圖1所示，該全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀，是以記錄波形為主，同步產(chǎn)生聲發(fā)射參數(shù)，在聲發(fā)射研究領(lǐng)域有重要應(yīng)用。將聲波傳感器利用磁力座固定在作為碰撞水平面的鋼板上，小球與鋼板碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊力會(huì)激發(fā)聲波傳感器產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)過(guò)SmartAE前置放大器處理后，利用全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀自帶波形采集程序控制16位高速A/D轉(zhuǎn)換卡完成碰撞波形的實(shí)時(shí)采集、顯示，由實(shí)時(shí)記錄的碰撞波形即可準(zhǔn)確求出相鄰兩次碰撞之間的時(shí)間間隔，精度可達(dá)μs量級(jí)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中選取了小鋼球(φ7.88mm、m=2.0g)與瓷磚地面、玻璃球(φ13.98mm、m=3.51g)與鋼板及彈力球(φ 33.31mm、m=26.5g)與鋼板之間3種不同的碰撞模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在小鋼球與瓷磚地面發(fā)生碰撞時(shí)，小鋼球給予瓷磚地面的碰撞沖擊力通過(guò)聲學(xué)換能器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，經(jīng)前置放大及高速數(shù)據(jù)采集后可得如圖2所示的多次彈性碰撞時(shí)域波形，對(duì)某次碰撞波形經(jīng)放大后顯示于圖2右上角，t0為從高度h由靜止下落到碰撞水平面所需的時(shí)間。每次碰撞波形上第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)的位置稱為波至點(diǎn)，相鄰兩次碰撞的波至點(diǎn)之間的時(shí)間差即為碰撞時(shí)間間隔Tn。對(duì)多次彈性碰撞的波形序列進(jìn)行處理，可分別獲得小鋼球—瓷磚地面、玻璃球—鋼板及彈力球—鋼板之間的碰撞時(shí)間間隔Tn及l(fā)nTn如表1至表3所示。

表1 小剛球—瓷磚地面間彈性碰撞恢復(fù)系數(shù)及重力加速度計(jì)算結(jié)果(h=478mm)

表2 玻璃球—鋼板間彈性碰撞恢復(fù)系數(shù)計(jì)算結(jié)果(h=497mm)

表3 彈力球—鋼板間彈性碰撞恢復(fù)系數(shù)計(jì)算結(jié)果(h=750mm)

圖2 小鋼球與瓷磚地面間彈性碰撞的時(shí)域波形

利用表1至表3中數(shù)據(jù)繪制出小鋼球—瓷磚地面、玻璃球—鋼板及彈力球—鋼板之間碰撞的lnTn與碰撞次數(shù)n的關(guān)系曲線如圖3至圖5所示。

由圖3至圖5的曲線可知，小鋼球—瓷磚地面間、玻璃球—鋼板間以及彈力球—鋼板間的碰撞，lnTn-n都滿足線性規(guī)律。經(jīng)線性擬合后分別得到3種不同碰撞模式所滿足的線性方程分別為

小鋼球—瓷磚地面間： lnTn=-0.46999-0.11653·n

玻璃球—鋼板間： lnTn=-0.45072-0.17918·n

彈力球—鋼板間： lnTn=-0.24394-0.15842·n

圖3 小鋼球—瓷磚地面間彈性碰撞lnTn-n曲線

圖4 玻璃球—鋼板間彈性碰撞lnTn-n曲線

圖5 彈力球—鋼板間彈性碰撞lnTn-n曲線

由3種碰撞模式的線性方程的斜率及截距分別求出小鋼球—瓷磚地面間彈性碰撞的恢復(fù)系數(shù)為0.8901，玻璃球—鋼板間彈性碰撞的恢復(fù)系數(shù)為0.8360，彈力球—鋼板間彈性碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.8535，按文獻(xiàn)[12、14]的方法計(jì)算出的彈性碰撞恢復(fù)系數(shù)的誤差在2%以內(nèi)。由3種碰撞模式計(jì)算出的重力加速度分別為9.789m·s-2、9.793m·s-2和9.773m·s-2，重力加速度的平均值為9.785m·s-2，與按照黃島地區(qū)緯度計(jì)算出的重力加速度值9.798m·s-2非常接近。

本文采用DS2型全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀構(gòu)建的一維彈性碰撞恢復(fù)系數(shù)及重力加速度測(cè)量系統(tǒng)，利用高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)捕捉彈性碰撞瞬間的時(shí)域波形，記錄的波形清晰、完整，提高了相鄰兩次碰撞之間時(shí)間間隔的測(cè)量精度，實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)潔明了，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度和穩(wěn)定性較高?；謴?fù)系數(shù)的測(cè)量誤差主要來(lái)源于小球是否垂直入射碰撞平面，如果小球不是垂直入射碰撞平面，則實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果僅反映垂直方向上的恢復(fù)系數(shù)，而對(duì)于水平方向的恢復(fù)系數(shù)目前還不便測(cè)量。

4 結(jié)論

(1) 本文利用全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀實(shí)時(shí)記錄小球與平板之間碰撞信號(hào)的時(shí)域波形，從實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性碰撞恢復(fù)系數(shù)和重力加速度的快速測(cè)量，具有實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單清晰、記錄的碰撞波形清晰完整、實(shí)驗(yàn)測(cè)量便捷、快速、實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠的特點(diǎn)。

(2) 將先進(jìn)的聲發(fā)射設(shè)備應(yīng)用到普通物理學(xué)中重要的兩個(gè)物理量——碰撞恢復(fù)系數(shù)及重力加速度的測(cè)量，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代科技改進(jìn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法與技術(shù)，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

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