智能手机揭示的 Wilberforce 摆的耦合振荡
物理教育
2022-12-15 v1
摘要
Wilberforce 摆是物理课程中阐释耦合振荡系统重要性质（如简正模与拍现象）的绝佳演示。一个连接质量的螺旋弹簧构成了这一简单而生动的装置，它具有纵向与扭转振荡，吸引学生与教师的目光，并为在定性与定量层面研究耦合振荡提供了绝佳环境。然而，常用于同时获取两类振荡的实验装置可能笨重和/或昂贵，往往需两台同步相机，或需由昂贵模数转换器集成的运动传感器与光电门。在此，我们展示智能手机可作为记录仅由教学用螺旋弹簧与罐子构成的 Wilberforce 摆振荡的理想装置。我们的装置利用智能手机的加速度计与陀螺仪分别获取纵向与扭转振荡的数据。该装置可成功记录简正模与拍。此外，我们展示实验获得的时间序列与功率谱与运动方程模拟高度吻合。另外，我们批判性地分析了如何设置初始条件以观察简正模与拍。我们相信本研究有助于以低成本、易获取的材料将 Wilberforce 摆的引人物理现象带入本科课堂。
引用
@article{arxiv.2212.06949,
title = {Coupled oscillations of the Wilberforce pendulum unveiled by smartphones},
author = {Thomas Gallot and Daniel Gau and Rodrigo García-Tejera},
journal= {arXiv preprint arXiv:2212.06949},
year = {2022}
}
备注
20 pages, 7 figures