CN101908293B - 一种磁性摆单摆综合实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁性摆单摆综合实验仪，属基础物理教学与研究仪器领域。它由底座、立柱、角度指示装置、单摆装置、磁性摆装置、激光准直装置、光电检测装置等构成。智能测量装置设置在底座一侧，底座上装有立柱和气垫导轨，气垫导轨的两端装有激光准直装置和校准板，立柱顶端装有单摆装置，立柱的滑槽内装有磁性摆装置和角度指示装置。该实验仪将单摆与磁性摆实验仪相结合，在一套仪器上即可完成两种实验，并采用激光准直定位、摆角镜像读数，保证了摆线、摆杆在一个平面内摆动，使得测量结果更加准确、科学。解决了现有单摆实验和磁性摆实验要由不同的实验仪来完成，仪器占用空间多，实验测量精度低，无法满足物理教学与研究要求的问题。

Description

一种磁性摆单摆综合实验仪

技术领域：

本发明涉及一种磁性摆单摆综合实验仪，属基础物理教学与研究仪器领域。

背景技术：

摆是一种实验仪器，按种类分为单摆，磁性摆等，可用来展现种种力学现象乃至电磁学现象。单摆实验，即用单摆系统精确研究该力学系统所包含的力学线性与非线性运动行为、或测量本地重力加速度的实验；目前虽有不少能完成此项实验的仪器，但总的来说仪器的设计制作较粗糙，体现在摆的立柱铅直调整不科学、单摆摆长的改变使用及测量不方便、单摆在一个平面内摆动不好控制，单摆角度盘设计也难以精确读数，因此导致单摆实验的许多实验内容测量精度较低。磁性摆实验，即用磁性摆和导体相对运动产生涡电流的种种物理效应的实验，目前的研究都仅仅停留在演示实验现象上，用磁性摆系统分析运动磁体与非磁性导体间的阻力效应，对磁阻尼力大小的计算一直未能找到现实可行的方法，因此导致在物理教学和科研中，不能对涡电流产生的磁阻尼力有更深层次的认识，无法满足物理教学与科研的需要。另一方面，现有的单摆实验仪和磁性摆实验仪是各自独立的两台实验仪，单摆实验和磁性摆实验要分别由不同的实验仪来完成，使得实验仪器占用空间多，实验投入成本高。

发明内容：

本发明的目的在于：提供一种将单摆与磁性摆的实验仪相结合，在一套仪器上即可完成单摆和磁性摆两种实验。实验时，通过激光准直装置和校准板调整摆线、摆杆的立柱铅直度，保证摆在一个平面内摆动，并通过智能测量装置采集实验数据，从而做到实验数据更科学、更准确。以解决现有单摆实验和磁性摆实验分别由不同的实验仪来完成，仪器占用空间多，实验投入成本高，实验测量精度低，无法满足基础物理教学与研究问题的磁性摆单摆综合实验仪。

本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的。

一种磁性摆单摆综合实验仪，它由底座、立柱、角度指示装置、单摆装置、磁性摆装置、气垫导轨、激光准直装置、光电检测装置、智能测量装置构成，其特征在于：智能测量装置设置在底座一侧，底座上面固装有立柱，立柱前面的底座上通过支脚固装有气垫导轨，气垫导轨上设置有导体小车，气垫导轨的两端分别安装有激光准直装置和校准板；立柱与气垫导轨之间通过横向滑槽安装有支架，支架上装有光电检测装置；所述的立柱为一长方体，立柱顶端安装有单摆装置，立柱的中部开有纵向滑槽，纵向滑槽内从上至下依次活动安装有磁性摆装置和角度指示装置；所述的激光准直装置和光电检测装置分别通过导线与智能测量装置连接。

所述的单摆装置由安装杆、绕线盘、摆线、摆球和摆线紧固件构成，安装杆的一端通过螺纹安装在立柱顶端的安装孔内，安装杆的另一端设置有摆线紧固件，摆线紧固件的一侧设置有绕线盘；绕线盘上缠绕有摆线，摆线的另一端穿过摆线紧固件后拴系有一摆球。

所述的磁性摆装置由安装杆、紧固螺帽、连接件、紧固螺栓、摆锤杆、轴承、摆杆和永磁体摆锤构成，安装杆上设置有紧固螺帽，安装杆的一端装有连接件，连接件上设置有紧固螺栓；摆锤杆的一端套装在连接件内，摆锤杆的另一端装有轴承，轴承上焊装有摆杆，摆杆的另一端装有永磁体摆锤。

所述的智能测量装置由壳体、显示屏、操控键和控制电路板构成，壳体的面板上设置有显示屏，显示屏一侧设置有操控键，壳体内装有控制电路板；所述的控制电路板由

型单片机、激光准直模块、键盘电路、晶振电路、光电开关接口电路构成，光电开关接口电路与

型单片机的P3.2端口相连，晶振电路与型单片机的XT2、XT1端口连接。

所述的角度指示装置由角度指示板和支撑杆构成，角度指示板为半圆弧形状，支撑杆固装在角度指示板的背面，支撑杆上设置有紧固螺帽，角度指示板的正面的内、外圆弧边缘制成反光镜，正面的中部圆弧上制作有刻度线。

所述的气垫导轨一端设置有气嘴；所述的立柱表面设置有标尺，立柱的纵向滑槽下方装有平面镜。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

该磁性摆单摆综合实验仪将单摆与磁性摆实验仪相结合，在一套仪器上即可完成单摆和磁性摆两种实验，不仅提高了仪器的使用效率，而且能更好的培养学生的创新思维和动手能力。该综合实验仪采用激光准直定位、摆角镜像读数，保证了摆线、摆杆在一个平面内摆动，使得测量结果更加准确、科学。解决了现有单摆实验和磁性摆实验要分别由不同的实验仪来完成，仪器占用空间多，实验投入成本高，实验测量精度低，无法满足物理教学与研究要求的问题。该综合实验仪具有结构合理，可操作性强、制造成本低的特点，特别适用于基础物理教学与研究的实验使用。

附图说明：

图1为磁性摆单摆综合实验仪的结构示意图；

图2为磁性摆单摆综合实验仪的磁性摆装置的结构示意图；

图3为磁性摆单摆综合实验仪的单摆装置的结构示意图；

图4为磁性摆单摆综合实验仪的角度指示板的结构示意图；

图5为磁性摆单摆综合实验仪的智能测量装置的结构示意图；

图6为磁性摆单摆综合实验仪的电路图。

图中：1、底座，2、立柱，3、角度指示板，4、激光准直装置，5、光电检测装置，6、气垫导轨，7、智能测量装置，8、安装杆，9、绕线盘，10、摆线，11、摆球，12、摆线紧固件，13、摆杆，14、永磁体摆锤，15、紧固螺帽，16、连接件，17、紧固螺栓，18、摆锤杆，19、轴承，20、气嘴，21、支脚，22、支架，23、纵向滑槽，24、平面镜，25、校准板，26、支撑杆，27、刻度线，28、反光镜，29、显示屏，30、操控键，31、标尺，32、导体小车，33、横向滑槽。

具体实施方式：

该磁性摆单摆综合实验仪由底座1、立柱2、单摆装置、磁性摆装置、角度指示装置、激光准直装置4、光电检测装置5、气垫导轨6和智能测量装置7构成。智能测量装置7设置在底座1的一侧。智能测量装置7由壳体、显示屏29、操控键31和控制电路板构成，壳体的面板上设置有显示屏29，显示屏29的一侧设置有操控键30；壳体内装有控制电路板，控制电路板由

型单片机、激光准直模块、键盘电路、晶振电路、光电开关接口电路构成，光电开关接口电路与

型单片机的P3.2端口相连，用于接受光电检测装置所输出的信号，晶振电路与

单片机的XT2、XT1端口连接，晶振电路通过XT2、XT1端口向

单片机提供时钟脉冲。底座1表面上固装有立柱2，立柱2为一长方体，立柱2的顶端安装有单摆装置，立柱2的中部开有纵向滑槽23，纵向滑槽23内从上至下依次活动安装有磁性摆装置和角度指示装置。单摆装置由安装杆8、绕线盘9、摆线10、摆球11和摆线紧固件12构成，安装杆8的一端通过螺纹连接安装在立柱1顶端的安装孔内，安装杆8的另一端设置有摆线紧固件12，摆线紧固件12的一侧设置有绕线盘9，摆线10的一端缠绕在绕线盘9上，摆线10的另一端穿过摆线紧固件12后端头上拴系有摆球11。

立柱2的表面设置有标尺31，立柱2的中部开有纵向滑槽23，纵向滑槽23内从上至下依次活动安装有磁性摆装置和角度指示板。磁性摆装置由安装杆8、紧固螺帽15、连接件16、紧固螺栓17、摆锤杆18、轴承19、摆杆13和永磁体摆锤14构成。安装杆8上设置有紧固螺帽15，用于磁性摆装置与纵向滑槽23的连接固定，安装杆8的端部装有连接件16，连接件16上设置有紧固螺栓17，摆锤杆18的一端套装在连接件16内，并由紧固螺栓17固紧。摆锤杆18的另一端安装有轴承19，轴承19上焊装有摆杆13，摆杆13的另一端装有永磁体摆锤14。

角度指示装置由角度指示板3和支撑杆26构成，角度指示板3呈半圆弧形状，支撑杆26固装在角度指示板3的背面，支撑杆3上设置有紧固螺帽15，用于角度指示装置与纵向滑槽23的连接固定。角度指示板3正面的内、外圆弧边缘制作有反光镜28，正面的中部圆弧上制作有刻度线27。纵向滑槽23下方的立柱2上安装有平面镜24。

立柱2前端的底座1表面上通过支脚21固装有气垫导轨6，气垫导轨6的导轨面上活动安装有导体小车32，气垫导轨6的两端分别安装有激光准直装置4和校准板25，气垫导轨6一端的端头上设置有气嘴20。激光准直装置4由半导体激光器、激光器固定板构成，半导体激光器安装在激光器固定板上。校准板25为一矩形体，校准板25的校准面中间部位设置有校准线。

立柱2与气垫导轨6之间通过横向设置的横向滑槽33安装有支架22，支架22上安装有光电检测装置5；激光准直装置4和光电检测装置5分别通过导线与智能测量装置7连接。

该磁性摆单摆综合实验仪可完成单摆和磁性摆两种实验，这样不仅提高了仪器的使用效率，同时更好的培养了学生的创新思维和动手能力。磁性摆实验时，首先将气垫导轨6与气源(图中未画)接通，调整激光准直装置4的半导体激光器使激光光路与气垫导轨6的轴线、校准板25的校准线在同一平面内，然后调整磁性摆装置的摆杆13，使其位于导体激光器的激光光路上(即光点落在摆杆13上)，按照智能测量装置7显示屏29显示的文字提示，将摆杆13拉起并对准角度指示板3上刻度线27的某一刻度等待下一指令；当显示屏29显示“测量中......”时可平稳的释放摆杆13，让永磁体摆锤14自由通过光电检测装置5，此时，光电检测装置5将采集的摆动数据传输给智能测量装置7，并由显示屏29显示测量结果。该项实验可通过改变摆杆13起摆时的角度，永磁体摆锤14与导体的最近距离，导体的材料，导体的厚度来研究不同实验条件下的磁阻尼力大小。

单摆实验时，需要将磁性摆装置的摆锤杆18从连接件16内取出，将单摆装置通过安装杆8套装于磁性摆装置的连接件16，并由紧固螺栓17固定。通过激光准直装置4校准好单摆装置的摆线10及摆线10的初始位置，同时，在智能测量装置7上设置好测量次数，然后平稳的释放，让摆球11自由通过光电检测装置5，光电检测装置5将采集的摆动数据传输给智能测量装置7，并由显示屏29显示测量结果。该项实验可通过改变单摆装置的摆长，摆球11的初始角度得到不同的实验条件。

该综合实验仪不仅可完成单摆和磁性摆两种实验，亦可通过气垫导轨6进行气轨模式下的磁性摆实验，实验时首先将气垫导轨6通过气嘴20与气源(图中未画)接通，将导体材料放置在气垫导轨6上的导体小车32上，待智能测量装置7的显示屏29显示“测量中......”文字时，向右轻轻推动导体小车32，导体小车32反弹后通过永磁体摆锤14和光电检测装置5后，其运动速度及运动速度所对应时刻的数据被光电检测装置5采集，同时由智能测量装置7的显示屏29显示。

Claims (4)

1.一种磁性摆单摆综合实验仪，它由底座(1)、立柱(2)、角度指示装置、单摆装置、磁性摆装置、气垫导轨(6)、激光准直装置(4)、光电检测装置(5)、智能测量装置(7)构成，其特征在于：智能测量装置(7)设置在底座(1)一侧，底座(1)上面固装有立柱(2)，立柱(2)前面的底座(1)上通过支脚(21)固装有气垫导轨(6)，气垫导轨(6)上设置有导体小车(32)，气垫导轨(6)的两端分别安装有激光准直装置(4)和校准板(25)；立柱(2)与气垫导轨(6)之间通过横向滑槽(33)安装有支架(22)，支架(22)上装有光电检测装置(5)；所述的立柱(2)为一长方体，立柱(2)顶端安装有单摆装置，单摆装置由第一安装杆、绕线盘(9)、摆线(10)、摆球(11)和摆线(10)紧固件构成，第一安装杆的一端通过螺纹安装在立柱(2)顶端的安装孔内，第一安装杆的另一端设置有摆线紧固件(12)，摆线紧固件(12)的一侧设置有绕线盘(9)；绕线盘(9)上缠绕有摆线(10)，摆线(10)的另一端穿过摆线紧固件(12)后拴系有一摆球(11)；立柱(2)的中部开有纵向滑槽(23)，纵向滑槽(23)内从上至下依次活动安装有磁性摆装置和角度指示装置；磁性摆装置由第二安装杆、第一紧固螺帽、连接件(16)、紧固螺栓(17)、摆锤杆(18)、轴承(19)、摆杆(13)和永磁体摆锤(14)构成，第二安装杆上设置有第一紧固螺帽，第二安装杆的一端装有连接件(16)，连接件(16)上设置有紧固螺栓(17)；摆锤杆(18)的一端套装在连接件(16)内，摆锤杆(18)的另一端装有轴承(19)，轴承(19)上焊装有摆杆(13)，摆杆(13)的另一端装有永磁体摆锤(14)；所述的激光准直装置(4)和光电检测装置(5)分别通过导线与智能测量装置(7)连接。

2.根据权利要求1所述的一种磁性摆单摆综合实验仪，其特征在于：所述的智能测量装置由壳体、显示屏(29)、操控键(30)和控制电路板构成，壳体的面板上设置有显示屏(29)，显示屏(29)一侧设置有操控键(30)，壳体内装有控制电路板；所述的控制电路板由STC89C516RD+型单片机、激光准直模块、键盘电路、晶振电路、光电开关接口电路构成，光电开关接口电路与STC89C516RD+型单片机的P3.2端口相连，晶振电路与STC89C516RD+单片机的XT2、XT1端口连接。

3.根据权利要求1所述的一种磁性摆单摆综合实验仪，其特征在于：所述的角度指示装置由角度指示板(3)和支撑杆(26)构成，角度指示板(3)为半圆弧形状，支撑杆(26)固装在角度指示板(3)的背面，支撑杆(26)上设置有第二紧固螺帽，角度指示板(3)的正面的内、外圆弧边缘制成反光镜(28)，正面的中部圆弧上制作有刻度线。

4.根据权利要求1所述的一种磁性摆单摆综合实验仪，其特征在于：所述的气垫导轨(6)一端设置有气嘴；所述的立柱(2)表面设置有标尺(31)，立柱(2)的纵向滑槽(23)下方装有平面镜(24)。

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