CN101650889A

CN101650889A - 一种单摆

Info

Publication number: CN101650889A
Application number: CN200910034080A
Authority: CN
Inventors: 屈社文
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2010-02-17

Abstract

本发明提供一种单摆，包括单摆支架、摆绳、摆球，还包括以激光笔发出激光束来作控制信号，和一个表壳留有受光孔的具有能控制秒表计时的光电门电路的电子秒表，所述的激光笔固定在一个U型支架的一端上，在所述U型支架的另一端上固定正对所述激光笔发出激光束的所述表壳留有受光孔的具有能控制秒表计时的光电门电路的电子秒表，在单摆平衡位置的下方设置一能产生磁力场的装置，还包括在单摆支架上摆绳固定点处，平行于摆球运动平面的平面上设置一量角器，所述量角器的零刻度线与重垂线重合，然后左右两边对称标注有刻度1度、2度直到90度的刻度线。

Description

一种单摆

技术领域：

本发明涉及一种教学实验器具，特别涉及一种探究单摆周期的实验器具。

背景技术：

单摆的原理和用途是高中物理课程中一处重要的知识点，课本使用了相当多的篇幅加以介绍，在做中学物理实验周期时，由于人的反应时间对摆球起始位置判断存在误差，使得测量结果不够精确，尽管在教材中采取平均值测量法，但结果仍不完全准确；另外，现有单摆可以实现对摆幅、摆球质量、摆长的调整，但未能实现重力加速度的调整，未能满足教师和学生进行探究实验的需要，也不利于学生发散思维和严谨的科学态度的培养。

发明内容：

本发明的目的有两个，一在于提供一种能对单摆周期进行精确测量，二能实现对重力加速度进行调整的单摆，供教师和学生进行科学探究实验。为实现上述的发明目的，本发明采用以下技术方案来实现的，本发明以激光束作控制信号，设计一光电门，控制电子表计时，即可实现对单摆周期进行精确测量，在单摆的下方设置能产生磁力场的装置，来改变引力场来实现对重力加速度的调整。

本发明作控制信号的激光器，采用玩具激光笔，能产生波长λ＝630nm～680nm的红色激光来，电子秒表可采用实验室常用JinQue牌JD-3B(22)型电子秒表，当然也可以用其它型号的，该秒表可记忆60个分段时间信息，可反复重读；在秒表复零状态下，按下S₁，秒表开始计时，每按S₂，秒表即进行分段计时，再按S₁秒表停止计时；控制秒表计时的光电门电路，包括电压为3V的直流电源1个，一光敏二极管其受光照呈低阻抗状态，一阻值为4.7K的可调电阻RP一其型号为9014的光电门VT₁，所述光敏电阻V₁与所述可调电阻RP串联后接所述电源正负极，所述光敏电阻V₁与所述可调电阻RP之间连接到光电门VT₁的基极b，光电门VT₁的集电极c连接所述电源正极，发射极e连接所述电源的负极，同时光电门VT₁的集电极c与所述电子秒表的按钮S₂的高电位连接，所述光电门VT₁的发射极e与所述电子秒表的按钮S₂的低电位连接。

光敏二极管V₁最好选用NDL3210型，其最佳响应波长λ＝675nm，响应时间＜10ns，最高工作结温度Tn＝125℃，其受光照时呈低阻状态，使光电门VT₁截止，即c-e结呈高阻抗状态，电子秒表不会被触发而处于待分段计时状态，每当射向光敏二极管V₁的光被遮住时，V₁立即呈高阻状态，VT₁迅速导通，这时相当于按下按钮S₂，电子秒表计时芯片得到触发脉冲而动作。光敏二极管最好用体积小的

管并尽量靠近摆线，这样通常粗细摆线也能对光敏二极管V₁良好的挡光。连接时，应打开电子秒表后盖，用细导线把光电门和电子秒表的按钮S₂触发电路相连接，应注意焊接时，把烙铁断电后用余温焊接，以防止静电感应损坏电子秒表的计时芯片，保留按钮S₂，保证电子秒表原有调节功能正常，合上后盖，按S₁使电子秒表开始计时，这时由大到小调节可调电阻RP的值，当发现秒表开始分段计时停止调节。用激光笔照射光敏二极管V₁，秒表会停止分段计时，代表调试成功；否则说明可调电阻RP值调节过小，重调即可，由于该光电门控制电路仅用三只元件，电源可用电子秒表内的3V锂电池，体积小，只需在表壳留有受光孔，整个装置可置于电子秒表内。

激光笔S和装有上述控制秒表计时的光电门电路元件的电子秒表可固定在一个U形支架上，让表壳留有让光敏二极管V₁受光的受光孔和所述激光笔S正对。

为实现本发明的第二个发明目的，本发明在上述的U形支架上在摆球平衡位置的正下方设置一能产生磁力场的装置，来改变引力场的大小来实现对重力加速度的调整。该能产生磁力场的装置可设置一电磁铁，该电磁铁的线圈与一电键、一滑动变阻器、一直流电源串联而成。调节滑动变阻器可控制电磁铁线圈中电流的大小，从而改变所产生的磁场的强弱，也就控制对摆球产生引力的大小，从而模拟实现对重力加速度进行调整，当然，该能产生磁场的装置也可以是一个或N个永磁体。

本单摆还在摆绳的固定点处，平行于摆球运动平面的平面上安置了一量角器，这样就在把摆球拉离平衡位置时，可对摆角进行精确的观察。

使用时，可将光电门放置于单摆的平衡位置附近，可以让摆线挡光，当然可以让摆球挡光，把摆球拉离平衡位置，注意观察上述量角器，按要求摆角不超过10°或者5°放开摆球，单摆开始振动，摆线每次经过光电门时，秒表便记下相应的时间tn。利用秒表的重现功能，按下按钮S₃即显示第一分段时间，以后每按一下S₃，即依次显示第二、第三……各分段计时的记录，把所得的数据及时记录，测量多组数据后停止测量，根据T＝t_n+2-t_n的周期，另外，本发明还可以排除实验过程中的偶然误差，如果发现某一周期所用的时间明显与其它周期所用的时间有很大的差别，可能由于桌子振动或风吹动单摆所造成的，这样的数据在处理时可剔除，这可使测量单摆的周期更加精确。

附图说明：

图1是电子表的外形示意图

图2是控制秒表计时的光电门电路

图3是本发明的结构示意图

图4是本发明在摆球运动方向上的示意图

图5是能产生磁力的装置的电路图

具体实施方式：

以下结合附图对本发明进行详细说明，本发明包括单摆支架1、摆绳2、摆球3，还包括一个U型支架4，固定在U型支架一端的一个激光笔5和一个固定在所述U型支架另一端一正对激光笔发出激光束的表壳留有受光孔，带有一个控制秒表计时的光电门电路元件的电子秒表6，在U型支架的底部，在单摆平衡位置的下方设置一能产生磁力场的装置7，在单摆支架1上的摆绳的固定点处，平行于摆球运动平面的平面上设置了一量角器8，所述电子秒表包括一个控制秒表计时的光电门电路60和三个按钮S₁61、S₂62、S₃63所述电子秒表6的三个按钮S₁61、S₂62、S₃63，其功能是在电子秒表复零状态下，按下按钮S₁61，电子秒表6开始计时，每按下按钮S₂62，电子秒表6进行分段计时，再按按钮S₁61，秒表6停止计时，按钮S₃63具有重现功能，按下按钮S₃63即显示第一分段计时，以后每按一下S₃63，即依次显示第二、第三……各分段计时的记录。所述控制秒表计时的光电门电路包括电压为3V的直流电源601一个，一光敏二极管V₁602其受光照呈低阻抗状态，一个可调电阻RP603，一个光电门VT₁604，所述光敏电阻V₁602与所述可调电阻RP603串联后接所述电源601的正负极，所述光电门VT₁604的基极b连接在所述光敏电阻V₁602与所述可调电阻RP603之间，所述光电门VT₁604的集电极c连接所述电源601的正极，所述光电门VT₁604的发射极e连接所述电源601的负极，同时所述光电门VT₁604的集电极C与所述的电子秒表6的按钮S₂62的高电位的连接，所述光电门VT₁604的发射极e与所述电子表6的按钮S₂62的低电位的连接。所述能产生磁力场的装置7包括一电磁铁70、电键71、滑动变阻器72、一直流电源73，所述电磁铁70的线圈与电键71滑动变阻器72直流电源73的正负极串联而成。所述能产生磁力场的装置7可以是一个或N个永磁体。所述的量角器8的零刻度线与重垂线重合，即与摆球自然静止时，摆绳向下的方向一致，左右两侧均匀对称标注有1度、2度直到90度的刻度线。

本发明能实现精确测量，且能实验改变引力场，模拟改变重力加速度，有利于提高教学质量和学生素质的培养。

Claims

1、一种单摆，包括单摆支架、摆绳、摆球，其特征在于还包括以激光笔发出激光束来作控制信号，和一个表壳留有受光孔的具有能控制秒表计时的光电门电路的电子秒表，所述的激光笔固定在一个U型支架的一端上，在所述U型支架的另一端上固定正对所述激光笔发出激光束的所述表壳留有受光孔的具有能控制秒表计时的光电门电路的电子秒表。

2、根据权利要求1所述的一种单摆，其特征在于所述能控制秒表计时的光电门电路包括一个电压为3V的直流电源，一光敏二极管V₁，一个可调电阻RP，一个光电门VT₁，所述光敏电阻V₁与所述可调电阻RP串联后与所述电源正负极连接，所述光电门VT₁的其极b连接在所述光敏电阻V₁与所述可调电阻RP之间，所述光电门VT₁的集电极c连接所述电源正极，所述光电门VT₁发射极e连接所述电源的负极，所述光电门VT₁的集电极c还与所述电子秒表的按钮S₂的高电位连接，所述光电门VT₁的发射极e与所述电子秒表的按钮S₂的低电位连接。

3、根据权利要求2所述的一种单摆，其特征在于光敏二极管V₁选用NDL3210型，体积小的

管；所述的光电门VT₁选用三极管为9014。

4、一种单摆，包括单摆支架、摆绳、摆球，其特征在于在单摆平衡位置的下方设置一能产生磁力场的装置。

5、根据权利要求4所述的一种单摆，其特征在于所述的能产生磁力场的装置为一电磁铁，所述电磁铁的线圈与一电键、一滑动变阻器串联后接入一直流电源正负极。

6、根据权利要求4所述的一种单摆，其特征在于所述的能产生磁力场的装置为永磁体。

7、一种单摆，包括单摆支架、摆绳、摆球，其特征在于还包括在单摆支架上摆绳固定点处，平行于摆球运动平面的平面上设置一量角器。

8、、根据权利要求7所述的一种单摆，其特征在于所述量角器的零刻度线与重垂线重合，然后左右两边对称标注有刻度1度、2度直到90度的刻度线。

9、根据权利要求1、2、3、4、5、6中任一种单摆，其特征在于还包括在单支架摆绳固定点处，平行于摆球运动平面的平面上设置一量角器。