CN103985292A - 补偿光电计时器时间的机械装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种时间补偿装置，光电计时器存在着计时时长和理论时长不一致的问题，主要原因是剩磁的原因，本发明为解决因剩磁造成时间滞后提供了一种新的技术方案。本发明的技术方案：光电计时器的时间补偿装置，包括电磁铁，电磁铁由铁芯和铁芯外部绕着的线圈构成，其特征是：弹簧连接铁芯，弹簧的下端连接一个板，板的下部有由电磁铁吸引的重物，铁芯下端的中心位置有开口，开口向铁芯上端延伸，弹簧的上端连接在铁芯开口的内部，且在内部的上端，铁芯上端有一个具有内丝的开口，还包括一个螺杆，弹簧连接在螺杆下端，弹簧长度为2cm，还包括辅助簧，辅助簧下端固定连接在板的上表面，辅助簧的上端处于自由状态，辅助簧的长度为1cm。
Description
本申请是申请日为2012年12月3日、申请号为2012105058673、发明名称为“一种光电计时器的时间补偿装置和方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于力学的教具，具体的说涉及的是一种用于自由落体计时器时间补偿的装置。
背景技术
有关自由落体的实验，测量时间的方法和装置已经非常先进，有一种比较普及而且比较精确的光电计时装置是这样的：用电磁铁吸引一个重物，这个重物应当是软磁性材料（所谓软磁性材料，是指：在磁场作用下，该材料具有磁性，磁场消失，该材料磁性也消失。比如：铁），断开电磁铁线圈电流的同时开始计时，重物通过下方的光电门（也叫做槽形光耦）时，被光电门感知到信号，通过外围设备（或者称为外围电路），可以获得该过程（从断开电磁铁线圈到重物达到光电门）的时间，然后，就把这个时间作为重物运动的时间，外围设备还可以显示（输出）这个时间。
并且，重物下落的距离是易于测量的，再利用运动学的公式，可以得到该过程的加速度。
事实上，某地区重力加速度的数值是容易在相关手册上查找得到的，并且可以得到非常精确的重力加速度数值。
换句话说，重物下落的时间，是可以由力学公式，尤其是其中运动学的公式计算得到的，但是，下落时间的试验值和理论值总是有误差，有的误差是有规律可循的。例如：
现代的电子技术可以把时间记录的非常精确，以至于对运动稍有影响的因素都会被反映出来。电磁铁断电后的很短时间、很短距离内，电磁铁和重物之间仍然有吸引的作用，这个吸引包括电磁铁剩磁对重物的吸引力，还包括重物的剩磁对电磁铁铁芯的吸引力，仅考虑该因素，该因素会导致重物实际下落的时间比理论时间稍长。这就导致利用该数据用来后续计算的误差较大。
重物同时还受空气阻力的作用，这种影响和很多因素有关，其中一个因素是重物的速度，速度越大，阻力就越大。但是，在下落的前30cm，空气阻力的影响非常小，在下落1米以后的高度，速度增大，阻力的影响可以被光电计时器测量出来，但是，这种影响是力学教学中希望测得的，因为该数据对后续学习有比较重要的作用。
当时间可以被记录的非常精确时，一点点的时间因素都要被充分考虑。
综上，这种光电计时器存在着计时时长和理论时长不一致的问题，主要原因是电磁铁和重物之间存在引力、重物受到空气阻力。空气阻力造成的影响是教学中希望被测量到的，电磁铁和重物之间的引力则是干扰因素，该干扰因素是希望能够被消除的因素。
发明内容
为了弥补现有装置的不足，本发明提出一种光电计时器的时间补偿装置和方法，本发明可以补偿光电计时器上因为剩磁造成的计时误差，以使实验更接近于理想状态。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于固定时差的光电计时器时间补偿方法，其特征是：
第一步：获得试验地点的重力加速度数值，
第二步：理论计算重物从电磁铁释放，下落高度为h1应该用时为t1，h1的数值优选5cm---10cm，
第三步：实际测量重物从电磁铁释放，下落高度为h1实际用时为t2，
第四步：计算出t2-t1的结果，将此结果作为因剩磁造成的影响时间，
第五步：基于第四步的计算结果，调整外围电路，达到这样的目的：测量重物从电磁铁释放，下落高度为h2的实际用时为t3，外围电路显示的时间为t4，且t4 = t3 - t2 + t1。
为了补偿光电计时器上剩磁造成的计时误差，以致实验更接近于理想状态，本发明解决其技术问题所采用的技术方案还可以是：
一种光电计时器的时间补偿装置，包括电磁铁，电磁铁由铁芯和铁芯外部绕着的线圈构成，其特征是：弹簧的上端连接铁芯，弹簧的下端连接一个软磁性材料制成的板，板的下部有一个由电磁铁吸引的软磁性材料制成的重物。
为了更好的起到时间补偿的效果，铁芯下部的中心位置开口，并且开口向铁芯上端延伸，弹簧连接在铁芯开口的内部，并且在内部的上端。
为了进一步优化时间补偿的效果，铁芯下部的中心位置开口，并且开口向铁芯上端延伸，铁芯上端还包括一个有内丝的开口，铁芯还包括一个与内丝配套的螺杆旋转在内丝内，弹簧连接在螺杆下端。
为了更好的起到补偿的效果，弹簧长度（指弹簧竖直悬挂，除了自重，不施加其他重物情况下的长度）优选为2cm，劲度系数（也称为倔强系数）约为100N/m，重物质量约0.03Kg。作为一个可调整的实验教具，该教具对弹簧的劲度系数、长度都可以为一个约数，包括重物质量也可以为约数，作为相关技术领域人员，可以知道“约”的含义。
一种光电计时器的时间补偿方法，其特征是：
步骤一，获得试验地点的重力加速度数值，
步骤二：理论计算重物从电磁铁释放，下落高度为h3应该用时为t5，h3的数值为10cm以上。h3可以在10cm---30cm之间。
步骤三：实际测量重物从电磁铁释放，下落高度为h3实际用时为t6，
步骤四：旋转通过铁芯上方内丝的螺杆，调整螺杆的长度（等同于调整板距离铁芯下部的距离），再次测量重物从电磁铁释放至下落到高度为h3的实际时间，
步骤五：重复步骤三或/和步骤四，直至t6等于t5（所述的等于，意思为：在偶然误差被接受的范围内，t6等于t5）。h3的优选高度为10cm。
本发明所述的装置，利用的原理是：电磁铁吸引弹簧下方的板，使得弹簧长度变短，电磁铁断电后，磁性消失了很多，弹簧长度变长，推动板向下运动，板推动重物下落。倘若仅考虑这一因素，该因素会导致重物下落时间比理论时间稍短，那是因为重物在下落过程中，不但受到重力，还受到板施加的推力，并且在刚开始下落时，速度比较低，空气阻力的影响是可以被忽略的。倘若弹簧长度、劲度系数合适，就可以解决重物因为剩磁造成的下落时间和理论时间不一致的问题。
本发明考虑到剩磁造成的计时影响，并且克服了该影响。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明结构示意图。
图3为本发明结构示意图。
图4为本发明局部结构示意图。
图5为图4的截面图。
图6为本发明局部结构示意图。
图7为本发明局部结构示意图。
图中：1-铁芯，2-线圈，3-弹簧，4-板，5-重物，6-螺杆，7-辅助簧，8-环形槽。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的设计和使用进一步说明。
参见附图1，是本发明的一种设计，电磁铁由铁芯（1）和铁芯（1）外部绕着的线圈（2）构成，弹簧（3）的上端连接铁芯（1），弹簧（3）的下端连接一个软磁性材料制成的板（4），板（4）的下部有一个由电磁铁吸引的软磁性材料制成的重物（5）。重物（5）可以是铁球。弹簧（3）长度为2cm，考虑到板（4）有一定的质量，选用劲度系数约为100N/m的弹簧（3），重物（5）质量约0.03Kg，板的质量约0.02Kg。
电磁铁通电后，板（4）向上运动，且板（4）吸引重物（5）也向上运动，重物（5）向上运动，也可以说是电磁铁吸引所致，断电后，尽管有剩磁存在，但是，弹簧（3）释放弹性势能，推动板（4）向下运动，于是：剩磁导致重物（5）变慢，弹簧（3）导致重物（5）变快，当调节合适，就可以使剩磁造成的影响抵消。
板（4）也必须采用软磁性材料制成，比如用铁制成，板（4）在本发明中所起的作用是：让铁芯（1）吸引板（4），板（4）也吸引重物（5），当板（4）的面积和铁芯（1）下端形状、尺寸一致或者基本一致时，吸引的作用会更好。
参看附图2，是本发明的一种设计，制造弹簧（3）的材料，往往含有铁，所以，为了更好的压缩弹簧，并且，为了弹簧能有更大的压缩量，铁芯（1）下端的中心位置有一个开口，其特征是：开口向铁芯（1）上端延伸，弹簧（3）的上端连接在铁芯（1）开口的内部，并且在内部的上端。
这样的设计，可以让弹簧（3）压缩量更大，推开板（4）和重物（5）可以有更大的力量。但是，这样的设计存在一个缺点：重物（5）因为弹簧（3）而加快的时间是不易调节的，倘若加快的时间不等于因为剩磁而变慢的时间，就要重新更换弹簧（3），或者做其他调整，这样会比较麻烦。
参看附图3，是本发明的一种设计，为使附图3突出设计要点，铁芯（1）外部的线圈（2）在本图中没有画出。铁芯（1）上端有一个具有内丝的开口，所谓内丝，就是内部有螺纹的意思，其特征是：铁芯（1）还包括一个与内丝配套的螺杆（6）旋转在内丝内，弹簧（3）连接在螺杆（6）下端。这样的设计，便于调节板（4）和铁芯（1）下端的距离，便于调节弹簧（3）存储的弹性势能，归根结底也就便于调节重物（5）为此加快的时间。该实施例中，弹簧（3）长度可以选择为2cm，劲度系数约为100N/m，重物（5）质量约0.03Kg。
用螺杆（6）的原因是：螺杆（6）旋转很多圈，螺杆（6）在竖直方向的距离仅改变一点点，这样有利于微调。
因为剩磁只对下落的初始阶段有影响，尤其是前5cm的运动过程，所以，选择5cm以后的高度来测量，就可以测量出剩磁造成的影响，但是，考虑到实验对时间的测量非常精确，可以测量最初的10cm，在最初的10cm剩磁对下落造成的时间影响等于10cm之后剩磁对下落造成的时间影响。所以，选择超过10cm的高度来测量该时间影响是有原因的。但是，该高度不宜超过50cm，因为，超过50cm，虽然剩磁造成的影响仍然等于10cm时造成的影响，但是，50cm时空气阻力造成的影响是可能被测量出来的。换句话说，超过50cm的高度，测到的理论时间和实际时间的差值，有可能是由剩磁和空气阻力共同造成的，考虑到教学需要，该高度可以选取10cm---30cm，因为，前30cm的下落过程，空气阻力造成的影响是很难测量到的。
参看附图4，是本发明的局部结构示意图。由力学知识可知：当弹簧的材料、粗细、内外径都一样的情况下，弹簧越长，劲度系数越小，本发明中，弹簧（3）的长度比较长，有时候会导致弹力不足够大，为了增大弹力，还可以设置另外一个弹簧，该弹簧被命名为：辅助簧（7），辅助簧（7）下端固定连接在板（4）的上表面，辅助簧（7）的上端不与铁芯（1）连接，在本发明中，辅助簧（7）上端不与铁芯（1）连接的这种方式被命名为：自由状态。当电磁铁通电时，板（4）向上运动，然后，辅助簧（7）的上端和铁芯（1）的下端接触，辅助簧（7）变短，于是辅助簧（7）可以在断电后，给板（4）施加向下的弹力。通过本段的表述，可以知道辅助簧（7）的作用是增加弹力。辅助簧的长度优选1cm，劲度系数（也称为倔强系数）约为200N/m。
辅助簧（7）下端固定连接在板（4）的上表面，辅助簧（7）的上端处于自由状态。辅助簧（7）的半径大于弹簧（3）的半径，这样的设计，更有利于弹开板（4）。
附图5是附图4的截面图，是为了更好的说明辅助簧（7）、弹簧（3）、板（4）的结构，因为本发明需要让辅助簧（7）有更大的面积，而且，铁芯（1）的开口在中间轴线位置，所以，弹簧（3）在辅助簧（7）的内部。
因为辅助簧（7）有更大的面积，所以辅助簧（7）还具有这样的技术效果：辅助簧（7）在让电磁铁断电后，可以对板（4）的运动起到更好的约束作用，使板（4）仅在竖直方向运动。倘若没有辅助簧（7），电磁铁断电后，有时候板（4）的运动轨迹是混乱的，导致重物（5）不能从光电门中穿过，从而造成不能计时的缺陷。试验表明，辅助簧（7）的确可以起到这样的效果。
参看附图6，是本发明铁芯（1）的结构示意图，是铁芯的进一步设计，铁芯（1）下方有一个环形槽（8），辅助簧（7）的上部置入环形槽（8），且环形槽（8）的侧壁不和辅助簧（7）挤压。
为了进一步优化，铁芯（1）下端有一个环形槽（8），该环形槽（8）可以让辅助簧（7）的上部置入其中，且环形槽（8）的侧壁不和辅助簧（7）挤压。该环形槽（8）起到的效果是：进一步约束板（4）的运动。具有环形槽（8）的铁芯（1），在电磁铁断电时，会让辅助簧（7）更好的弹开板（4），这里说的更好，是指：板（4）不乱摆；板（4）的运动，非常精确的在竖直线上。
参看附图7，是本发明铁芯（1）的结构示意图，当铁芯（1）下端的中心位置有一个开口时，环形槽（8）所在的圆内，有铁芯（1）开口所在的圆。
辅助簧（7）和环形槽（8）组合使用还具有这样的效果：在移动光电计时装置时，辅助簧（7）和环形槽（8）可以有效控制板（4）不乱甩，板（4）乱甩，可能会导致弹簧（3）损坏，所以，辅助簧（7）和环形槽（8）的组合利于运输和搬动光电计时装置时保护弹簧（3）。
当采用附图3所示设计时，可以按照如下方法补偿剩磁造成的重物（5）下落延后的问题，其特征是：
步骤一，获得试验地点的重力加速度数值，
步骤二：理论计算重物（5）从电磁铁释放，下落高度为h3应该用时为t5，且h3在10cm---30cm之间，
步骤三：实际测量重物（5）从电磁铁释放，下落高度为h3实际用时为t6，
步骤四：旋转通过铁芯（1）上端内丝的螺杆（6），调整螺杆（6）的长度，再次测量重物（5）从电磁铁释放至下落到高度为h3的实际时间，
步骤五：重复步骤三或/和步骤四，直至t6等于t5。
也可以利用外围电路，直接补偿因剩磁造成的时间差；也可以利用本发明所述装置，再结合外围电路，直接补偿因剩磁造成的时间差，其特征是：
第一步：获得试验地点的重力加速度数值，
第二步：理论计算重物从电磁铁释放，下落高度为h1应该用时为t1，h1的数值为5cm---10cm，
第三步：实际测量重物从电磁铁释放，下落高度为h1实际用时为t2，
第四步：计算出t2-t1的结果，将此结果作为因剩磁造成的影响时间，
第五步：基于第四步的计算结果，调整外围电路，达到这样的目的：测量重物从电磁铁释放，下落高度为h2的实际用时为t3，外围电路显示的时间为t4，且t4 = t3 - t2 + t1。
该方法能实现时间补偿的原因在于：剩磁在空间上造成的、可测量出的影响范围约为5cm， 即使光电计时已经非常灵敏，超过10cm的距离，重物（5）和铁芯（1）之间的电磁力就是可以忽略的了。换句话说，只要下落高度超过10cm，就可以认为因为剩磁造成的时间差总是t2-t1。既然这个时间差是固定的，那就可以基于该固定的时差，让实际测量的时间总减去该时差，作为显示的结果。教学中要演示的下落高度，往往是超过10cm的，所以，在本方法中，h1的数值为5cm---10cm。
地球表面的重力加速度和纬度有关系，但是，即使纬度变化比较大，重力加速度变化也不大，所以，所述的“试验地点”，应该理解为相同或者相近纬度的地区，究竟纬度相差多少才能叫做相近，这取决于试验对精确程度的要求。
本发明为解决自由落体运动中，剩磁造成时间滞后提供了一种新的技术方案。
Claims (1)
1.补偿光电计时器时间的机械装置，包括电磁铁，电磁铁由铁芯（1）和铁芯（1）外部绕着的线圈（2）构成，其特征是：弹簧（3）的上端连接铁芯（1），弹簧（3）的下端连接一个软磁性材料制成的板（4），板（4）的下部有一个由电磁铁吸引的软磁性材料制成的重物（5），
且：铁芯（1）下端的中心位置有一个开口，开口向铁芯（1）上端延伸，弹簧（3）的上端连接在铁芯（1）开口的内部，并且在内部的上端，
且：铁芯（1）上端有一个具有内丝的开口，还包括一个与内丝配套的螺杆（6）旋转在内丝内，弹簧（3）连接在螺杆（6）下端，
且：弹簧（3）长度为2cm，劲度系数约为100N/m，重物（5）质量约0.03Kg，
且 ：还包括辅助簧（7），辅助簧（7）下端固定连接在板（4）的上表面，辅助簧（7）的上端处于自由状态，
且：辅助簧（7）的长度为1cm。
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