CN104504965A - 一种验证变力作用下动量定理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于动力学测量领域，尤其是验证动量定量的方法领域。本发明操作简单，精度高。本发明是这样的：一种验证变力作用下动量定理的方法，其特征在于：所述方法应用于一种多功能动力学研究装置，所述装置，包括：力传感器，固定板下表面连接电磁铁，电磁铁下端吸附圆球，还包括连接架，所述方法包括：确定研究过程的初状态、末状态圆球的动量，用力传感器获得重力的冲量、弹力的冲量，比较重力的冲量和弹力的冲量。

Description

一种验证变力作用下动量定理的方法

技术领域

     本发明属于用于动力学研究领域。

背景技术

     动力学研究的范畴包括力、运动、力和运动的关系。现有装置足够丰富，但是，还是可以用新的装置、新的方法来研究动力学中的某些参数之间的关系。

发明内容

    本发明提供了一种新的装置和方法，为研究动力学提供了一种新的技术方案，本发明是这样的：

    多功能动力学研究装置，包括：固定设置的、用于测量竖直向下拉力的力传感器，其特征是：力传感器的探头固定连接固定板，固定板呈平板状，且固定板所在平面为水平面，固定板下表面固定连接电磁铁，电磁铁下端吸附有一个用于下落的圆球，圆球由软磁性材料制成，

还包括竖直方向设置的连接架，连接架的上端和固定板固定连接，连接架的下端固定连接置物板，置物板呈平板状，置物板所在平面为水平面。

圆球的质量为50克。

圆球的质量为20克。

还包括用于固定力传感器的连杆，连杆固定连接于竖直支架，支架底端和底座固定连接。

还包括一根细线，细线一端系于固定板，细线另一端悬垂一个重锤。

探头下方所有部件所构成的装置其质心位于：经过探头的竖直直线。

圆球的质心位于：经过探头的竖直直线。

还包括一个位于置物板上表面的、用于承接圆球的圆筒，圆筒和置物板以可拆卸方式连接，圆筒上方设有供圆球进入圆筒的开口。

圆筒内表面贴敷有一个圆管状的、厚度均匀的、用于使下落圆球减速的缓冲筒，缓冲筒由弹性材料制成，且缓冲筒的内径略小于圆球的直径。

缓冲筒由海绵制成。

所述圆筒底部还设有一个便于捅出圆球的顶出孔。

所述的连接架由用来改变固定板和置物板间距的上连接架、下连接架以可伸缩方式连接而成，上连接架竖直设置，下连接架也竖直设置，上连接架上端固定连接固定板，下连接架下端固定连接置物板。

上连接架设置有用来标示高度的上刻度，下连接架设置有用来标注高度的下刻度，且：圆球吸附于磁铁时，与圆球最下端水平线平齐的刻度作为刻度的原点。

圆筒上端开头处还固定连接一个圆锥筒，圆锥筒上端设有圆形的、供圆球进入的上开口，圆锥筒下端设有圆形的下开口，下开口的边缘和圆筒上端的边缘固定连接，上开口的直径略大于圆球的直径。

上开口还设有用来使下落圆球减速的冲击片，冲击片外圈为圆形，冲击片的外圈和上开口边缘固定连接，冲击片由厚度均匀的、薄片状、弹性材料制成，冲击片内圈设置有呈均匀放射状的孔，孔的中心位于：圆筒的轴线。

上连接架的一个侧面设置有竖直方向的凹槽，凹槽内设有用于驱动齿轮的齿条；

下连接架设有一个壳体，壳体的一个面设有供齿轮外伸、以使齿轮和齿条啮合的的延伸孔，设有延伸孔的侧面和设有凹槽的侧面贴合，

下连接架的壳体内设有一个用于确定齿轮转动轴线的转轴，该转轴所在轴线为水平方向，

下连接架的壳体内还设置有第一张紧轮、第二张紧轮，第一张紧轮、第二张紧轮其转轴轴线均为水平方向，且该转轴轴线和齿轮的转轴轴线垂直，

还设有：与第一张紧轮、第二张紧轮同步转动的传动带，

齿轮通过传动装置驱动第一张紧轮转动，

壳体设有读数开口以使传动带的一个面可视，在可视范围内：传动带所在平面为竖直平面，传动带运动方向为竖直方向；且：下连接架沿竖直方向的速度与传动带沿竖直方向的速度等大、反向，

读数开口所在平面和延伸孔所在平面垂直，

下连接架设置有用来标注高度的下刻度，且该刻度标注于传动带，上连接架设置有用来标示高度的上刻度，且上刻度和下刻度在刻度重叠区域所标注的刻度数值相同，且：圆球吸附于磁铁时，与圆球最下端水平线平齐的刻度作为刻度的原点。

    一种验证变力作用下动量定理的方法，其特征在于：所述方法应用于一种多功能动力学研究装置，所述装置，包括：固定设置的、用于测量竖直向下拉力的力传感器，且：力传感器的探头固定连接固定板，固定板呈平板状，且固定板所在平面为水平面，固定板下表面固定连接电磁铁，电磁铁下端吸附有一个用于下落的圆球，圆球由软磁性材料制成，还包括竖直方向设置的连接架，连接架的上端和固定板固定连接，连接架的下端固定连接置物板，置物板呈平板状，置物板所在平面为水平面，

还包括一个位于置物板上表面的、用于承接圆球的圆筒，圆筒和置物板以可拆卸方式连接，圆筒上方设有供圆球进入圆筒的开口，

所述方法包括：

第一步，给电磁铁通电，吸附圆球，并保持圆球静止，测量圆球最低端至自由落体过程末点的高度为差h；力传感器开始采集其所受拉力的数据，此时传感器所受拉力为a；

第二步，电磁铁断电，圆球下落；传感器所受拉力由a变为b，此时刻记为t₁；

第三步，圆球在自由落体末点，传感器所受拉力由b变为c，此时刻记为t₂；

第四步，圆球自t₃时刻起静止，传感器所受拉力恢复为a；

第五步，查找手册，获得试验地点的重力加速度数值为g，以h作为自由落体的高度，由公式                                                计算自由落体末状态的速度v；

第六步，以t₂为研究过程的起始时刻，以t₄（t₄ t₃）为研究过程的末时刻，则，起始时刻圆球的速度为v，末时刻圆球的速度为0，研究过程历时为t₅=t₄-t₂；

第七步，t₅时间内，圆球所受重力的冲量为I_G=（a-b）t₅；

第八步， 在F-t图像中，t₅时间内图像和时间轴所夹面积为S₁，b乘以t₅为S₂，取S=S₁-S₂；

第九步，t₅时间内，圆球所受弹力的冲量为I_N，I_N在数值上等于S，在误差允许范围内：

若：，则验证：变力作用下的动量定理成立。

    一种验证变力作用下动量定理的方法，其特征在于：所述方法应用于一种多功能动力学研究装置，所述装置，包括：固定设置的、用于测量竖直向下拉力的力传感器，且：力传感器的探头固定连接固定板，固定板呈平板状，且固定板所在平面为水平面，固定板下表面固定连接电磁铁，电磁铁下端吸附有一个用于下落的圆球，圆球由软磁性材料制成，还包括竖直方向设置的连接架，连接架的上端和固定板固定连接，连接架的下端固定连接置物板，置物板呈平板状，置物板所在平面为水平面，

还包括一个位于置物板上表面的、用于承接圆球的圆筒，圆筒和置物板以可拆卸方式连接，圆筒上方设有供圆球进入圆筒的开口，

所述方法包括：

第一步，给电磁铁通电，吸附圆球，并保持圆球静止；力传感器开始采集其所受拉力的数据，此时传感器所受拉力为a；

第二步，电磁铁断电，圆球下落；传感器所受拉力由a变为b，此时刻记为t₁；

第三步，圆球在自由落体末点，传感器所受拉力由b变为c，此时刻记为t₂；

第四步，圆球自t₃时刻起静止，传感器所受拉力恢复为a；

第五步，查找手册，获得试验地点的重力加速度数值为g，由公式计算自由落体末状态的速度v；

第六步，以t₂为研究过程的起始时刻，以t₄（t₄ t₃）为研究过程的末时刻，则，起始时刻圆球的速度为v，末时刻圆球的速度为0，研究过程历时为t₅=t₄-t₂；

第七步，t₅时间内，圆球所受重力的冲量为I_G=（a-b）t₅；

第八步， 在F-t图像中，t₅时间内图像和时间轴所夹面积为S₁，b乘以t₅为S₂，取S=S₁-S₂；

第九步，t₅时间内，圆球所受弹力的冲量为I_N，I_N在数值上等于S，在误差允许范围内：

若：，则验证：变力作用下的动量定理成立。

    一种验证变力作用下动量定理的方法，其特征在于：所述方法应用于一种多功能动力学研究装置，所述装置，包括：固定设置的、用于测量竖直向下拉力的力传感器，且：力传感器的探头固定连接固定板，固定板呈平板状，且固定板所在平面为水平面，固定板下表面固定连接电磁铁，电磁铁下端吸附有一个用于下落的圆球，圆球由软磁性材料制成，还包括竖直方向设置的连接架，连接架的上端和固定板固定连接，连接架的下端固定连接置物板，置物板呈平板状，置物板所在平面为水平面，

还包括一个位于置物板上表面的、用于承接圆球的圆筒，圆筒和置物板以可拆卸方式连接，圆筒上方设有供圆球进入圆筒的开口，

所述方法包括：

第一步，给电磁铁通电，吸附圆球，并保持圆球静止；力传感器开始采集其所受拉力的数据，此时传感器所受拉力为a；

第二步，电磁铁断电，圆球下落；传感器所受拉力由a变为b，此时刻记为t₁；

第三步，圆球自t₂时刻起静止，传感器所受拉力恢复为a；

第四步，以t₁为研究过程的起始时刻，以t₃（t₃ t₂）为研究过程的末时刻，则，起始时刻圆球的速度为0，末时刻圆球的速度也为0，研究过程历时为t=t₃-t₁；

第五步，t时间内，取重力的冲量为I_G=at；

第六步， 在F-t图像中，t时间内图像和时间轴所夹面积为S；

第七步，t时间内，弹力的冲量为I_N，I_N在数值上等于S，在误差允许范围内：

若：，则验证：变力作用下的动量定理成立。

    本发明所述的装置，在动力学研究领域具有多种功能，本发明所述的测量方法，具有精度高、操作方便的优点。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例一的局部结构示意图。

图3是本发明实施例二的结构示意图。

图4是本发明实施例三的结构示意图。

图5是本发明实施例四的结构示意图。

图6是本发明实施例五的局部结构示意图。

图7是本发明实施例五的局部结构示意图。

图8是本发明实施例六的局部结构示意图。

图9是本发明实施例七的结构示意图。

图10是本发明实施例八的结构示意图。

图11是本发明实施例九的局部结构示意图。

图12是本发明实施例九的局部结构示意图。

图13是本发明实施例十的局部结构示意图。

图14是本发明实施例十的局部结构示意图。

图15是本发明实施例十一的局部结构示意图。

图16是本发明实施例十一的局部结构示意图。

图17是本发明实施例十一的局部结构示意图。

图18是本发明实施例十一的局部结构示意图。

图19是本发明实施例十一的局部结构示意图。

图20是本发明实施例十一的局部结构示意图。

图21是本发明实施例十一的局部结构示意图。

图22是本发明实施例十一的局部结构示意图。

    图中：1-力传感器，11-探头，2-电磁铁，3-圆球，4-连接架，41-固定板，42-置物板，51-底座，52-支架，53-连杆，61-细线，62-重锤，7-圆筒，71-缓冲筒，72-顶出孔，43-上连接架，44-下连接架，431-上刻度，441-下刻度，73-圆锥筒，731-上开口，732-下开口，74-冲击片，741-下压片，81-齿条，82-凹槽，91-第一张紧轮，92-第二张紧轮，93-齿轮，94-延伸孔，95-传动带，96-读数开口，97-传动装置。

具体实施方式

实施例一

    参见附图1，多功能动力学研究装置，包括：固定设置的、用于测量竖直向下拉力的力传感器1，其特征是：力传感器1的探头11固定连接固定板41，固定板41呈平板状，且固定板41所在平面为水平面，固定板41下表面固定连接电磁铁2，电磁铁2下端吸附有一个用于下落的圆球3，圆球3由软磁性材料制成，还包括竖直方向设置的连接架4，连接架4的上端和固定板41固定连接，连接架4的下端固定连接置物板42，置物板42呈平板状，置物板42所在平面为水平面。圆球3的质量可以为50克。圆球3的质量可以为20克。

    力传感器1属于现有技术，力传感器1是可以测量力的仪器，力传感器1连接配套设备可以采集到相关数据，最终以F-t图像的形式表现出力随时间的变化，常见的力传感器1的大多具有这样的功能。力传感器1有一个探头11，对探头11施加压力或者拉力，会引起敏感元件的相关参数发生变化，从而获悉力随时间如何变化。 本发明所述的力传感器1是指描绘F-t图像的力传感器1。

    软磁性材料是指：外界磁场存在时，软磁性材料具有磁性，外界磁场撤去后，软磁性材料磁性消失。比如：铁。相关领域技术人员应当知晓：允许有稍许剩磁，并且选用剩磁少的材料可以减小误差。

   一种测量重力加速的方法，其特征在于：所述方法应用于一种多功能动力学研究装置，所述装置，包括：固定设置的、用于测量竖直向下拉力的力传感器1，且：力传感器1的探头11固定连接固定板41，固定板41呈平板状，且固定板41所在平面为水平面，固定板41下表面固定连接电磁铁2，电磁铁2下端吸附有一个用于下落的圆球3，圆球3由软磁性材料制成，还包括竖直方向设置的连接架4，连接架4的上端和固定板41固定连接，连接架4的下端固定连接置物板42，置物板42呈平板状，置物板42所在平面为水平面，

所述方法包括：

第一步，给电磁铁2通电，吸附圆球3，并保持圆球3静止，测量圆球3自由落体的高度为h；力传感器1开始采集其所受拉力的数据，此时传感器所受拉力为a；

第二步，电磁铁2断电，圆球3下落；传感器所受拉力由a变为b，此时刻记为t₁；

第三步，圆球3击中置物板42，传感器所受拉力由b变为c，此时刻记为t₂；

第四步，以h作为自由落体的高度，计算t₂-t₁=t，以t做为自由落体的时间，利用：

计算重力加速度的数值。

    相关领域技术人员应当知晓：要把力传感器1的配套设备和力传感器1连接到一起，并且对采集数据有相关的设置，可以设置采集频率为每秒采集500次，或者600次，或者1000次。

   由以上介绍显而易见：连接架4不能阻挡圆球3的下落运动。比如采用附图2的方式。

优化的技术方案是：电磁铁2采用遥控电磁铁2，这样，就没有电磁铁2的电线悬坠，因为电线悬坠、摇摆会影响到实验的精度。

    如何固定力传感器1呢？请参见附图3，也就是实施例二：

    还包括用于固定力传感器1的连杆53，连杆53固定连接于竖直支架52，支架52底端和底座51固定连接。也显而易见：置物板42底下是没有其他物体支撑的，也就是说，置物板42底下悬空，或者说置物板42悬空。

实施例三

    参见附图4，还包括一根细线61，细线61一端系于固定板41，细线61另一端悬垂一个重锤62。

    细线61和重锤62可以用来确定是否竖直，因为本发明所述的圆球3要做自由落体运动，所以，为了确保圆球3落点能击中指定位置（比如击中置物板42），利用细线61和重锤62有利于确定竖直方向。

   力传感器1能正确测量力的大小，通常要确保力在某个方向上才可以准确测量，比如，用于测量拉力的力传感器1，沿着探头11方向施加10N的拉力，显示为10N，如果斜着施加10N拉力，显示出的结果就不是10N。为了让探头11准确采集竖直方向的拉力，本发明可以这样优化技术方案：探头11下方所有部件所构成的装置其质心位于：经过探头11的竖直直线。

    重锤62所能达到的技术效果除了确定竖直方向，还有一个技术效果：用来调整质心的位置，使“探头11下方所有部件所构成的装置其质心位于：经过探头11的竖直直线。”怎么调整呢？改变重锤62的质量（也可以改变细线61的悬点位置），就可以改变质心位置。

    圆球3吸附在电磁铁2时，探头11下方所有部件所构成的装置有一个质心，圆球3落下后，探头11下方所有部件所构成的装置有另一个质心，所以，为了提高测量精度，本发明可以这样优化技术方案：圆球3的质心位于：经过探头11的竖直直线。这样的优化，可以使圆球3从下落前到下落过程的末状态一直确保：“探头11下方所有部件所构成的装置其质心位于：经过探头11的竖直直线。”

   实施例四

    参见附图5，为了不让下落的圆球3乱滚以至于丢失，可以这样优化：还包括一个位于置物板42上表面的、用于承接圆球3的圆筒7，圆筒7和置物板42以可拆卸方式连接，圆筒7上方设有供圆球3进入圆筒7的开口。

    圆筒7和置物板42以可拆卸方式连接，属于相关领域技术人员通过常规手段就可以实现的，比如：圆筒7底部固定连接一个竖直方向的螺杆，置物板42设有一个让螺杆通过的孔，利用螺母配合螺杆可以把圆筒7固定于置物板42。再比如：置物板42设有的让螺杆通过的孔，其孔径稍大于螺杆直径，这样可以在小范围内调整圆筒7的位置。这些都是常规技术手段，不详述。

    圆筒7还有一个作用：圆筒7让圆球3只在竖直方向运动。圆筒7还有一个作用：确保圆球3和力传感器1探头11下方所述装置构成一个可视为系统的整体-----因为圆球3不会滚落到地上。

    有了实施例四的优化，不仅可以用于测量重力加速度，还可以验证变力作用下的动量定理。动量定理在恒力作用下是成立的，这是容易通过实验验证的，但是，变力作用下，动量定理还成立吗？-----这是不容易通过实验证明的。本装置可以用于验证变力作用下动量定理仍然成立。方法有多种：

    一种验证变力作用下动量定理的方法，其特征在于：所述方法应用于一种多功能动力学研究装置，所述装置，包括：固定设置的、用于测量竖直向下拉力的力传感器1，且：力传感器1的探头11固定连接固定板41，固定板41呈平板状，且固定板41所在平面为水平面，固定板41下表面固定连接电磁铁2，电磁铁2下端吸附有一个用于下落的圆球3，圆球3由软磁性材料制成，还包括竖直方向设置的连接架4，连接架4的上端和固定板41固定连接，连接架4的下端固定连接置物板42，置物板42呈平板状，置物板42所在平面为水平面，

还包括一个位于置物板42上表面的、用于承接圆球3的圆筒7，圆筒7和置物板42以可拆卸方式连接，圆筒7上方设有供圆球3进入圆筒7的开口，

所述方法包括：

第一步，给电磁铁2通电，吸附圆球3，并保持圆球3静止，测量圆球3最低端至自由落体过程末点的高度为差h；力传感器1开始采集其所受拉力的数据，此时传感器所受拉力为a；

第二步，电磁铁2断电，圆球3下落；传感器所受拉力由a变为b，此时刻记为t₁；

第三步，圆球3在自由落体末点，传感器所受拉力由b变为c，此时刻记为t₂；

第四步，圆球3自t₃时刻起静止，传感器所受拉力恢复为a；

第五步，查找手册，获得试验地点的重力加速度数值为g，以h作为自由落体的高度，由公式计算自由落体末状态的速度v；

第六步，以t₂为研究过程的起始时刻，以t₄（t₄ t₃）为研究过程的末时刻，则，起始时刻圆球3的速度为v，末时刻圆球3的速度为0，研究过程历时为t₅=t₄-t₂；

第七步，t₅时间内，圆球3所受重力的冲量为I_G=（a-b）t₅；

第八步， 在F-t图像中，t₅时间内图像和时间轴所夹面积为S₁，b乘以t₅为S₂，取S=S₁-S₂；

第九步，t₅时间内，圆球3所受弹力的冲量为I_N，I_N在数值上等于S，在误差允许范围内：

若：，则验证：变力作用下的动量定理成立。

    一种验证变力作用下动量定理的方法，其特征在于：所述方法应用于一种多功能动力学研究装置，所述装置，包括：固定设置的、用于测量竖直向下拉力的力传感器1，且：力传感器1的探头11固定连接固定板41，固定板41呈平板状，且固定板41所在平面为水平面，固定板41下表面固定连接电磁铁2，电磁铁2下端吸附有一个用于下落的圆球3，圆球3由软磁性材料制成，还包括竖直方向设置的连接架4，连接架4的上端和固定板41固定连接，连接架4的下端固定连接置物板42，置物板42呈平板状，置物板42所在平面为水平面，

还包括一个位于置物板42上表面的、用于承接圆球3的圆筒7，圆筒7和置物板42以可拆卸方式连接，圆筒7上方设有供圆球3进入圆筒7的开口，

所述方法包括：

第一步，给电磁铁2通电，吸附圆球3，并保持圆球3静止；力传感器1开始采集其所受拉力的数据，此时传感器所受拉力为a；

第二步，电磁铁2断电，圆球3下落；传感器所受拉力由a变为b，此时刻记为t₁；

第三步，圆球3在自由落体末点，传感器所受拉力由b变为c，此时刻记为t₂；

第四步，圆球3自t₃时刻起静止，传感器所受拉力恢复为a；

第五步，查找手册，获得试验地点的重力加速度数值为g，由公式计算自由落体末状态的速度v；

第六步，以t₂为研究过程的起始时刻，以t₄（t₄ t₃）为研究过程的末时刻，则，起始时刻圆球3的速度为v，末时刻圆球3的速度为0，研究过程历时为t₅=t₄-t₂；

第七步，t₅时间内，圆球3所受重力的冲量为I_G=（a-b）t₅；

第八步， 在F-t图像中，t₅时间内图像和时间轴所夹面积为S₁，b乘以t₅为S₂，取S=S₁-S₂；

第九步，t₅时间内，圆球3所受弹力的冲量为I_N，I_N在数值上等于S，在误差允许范围内：

若：，则验证：变力作用下的动量定理成立。

    一种验证变力作用下动量定理的方法，其特征在于：所述方法应用于一种多功能动力学研究装置，所述装置，包括：固定设置的、用于测量竖直向下拉力的力传感器1，且：力传感器1的探头11固定连接固定板41，固定板41呈平板状，且固定板41所在平面为水平面，固定板41下表面固定连接电磁铁2，电磁铁2下端吸附有一个用于下落的圆球3，圆球3由软磁性材料制成，还包括竖直方向设置的连接架4，连接架4的上端和固定板41固定连接，连接架4的下端固定连接置物板42，置物板42呈平板状，置物板42所在平面为水平面，

还包括一个位于置物板42上表面的、用于承接圆球3的圆筒7，圆筒7和置物板42以可拆卸方式连接，圆筒7上方设有供圆球3进入圆筒7的开口，

所述方法包括：

第一步，给电磁铁2通电，吸附圆球3，并保持圆球3静止；力传感器1开始采集其所受拉力的数据，此时传感器所受拉力为a；

第二步，电磁铁2断电，圆球3下落；传感器所受拉力由a变为b，此时刻记为t₁；

第三步，圆球3自t₂时刻起静止，传感器所受拉力恢复为a；

第四步，以t₁为研究过程的起始时刻，以t₃（t₃ t₂）为研究过程的末时刻，则，起始时刻圆球3的速度为0，末时刻圆球3的速度也为0，研究过程历时为t=t₃-t₁；

第五步，t时间内，取重力的冲量为I_G=at；

第六步， 在F-t图像中，t时间内图像和时间轴所夹面积为S；

第七步，t时间内，弹力的冲量为I_N，I_N在数值上等于S，在误差允许范围内：

若：，则验证：变力作用下的动量定理成立。

    需要说明的是：虽然上述方法出现多个t₂，但是，相关领域技术人员应当知晓不同实验方法中所指t₂的含义，不会把某种方法所述的t₂和另一种方法所述的t₂混淆。也就是说，本领域技术人员不会提出：“本说明书所述的t₂究竟指的是哪个时刻？”这样的疑问。其他时刻也如此解释。

实施例五

    实施例四有其不足之处：1，很难保证圆球3只在圆筒7内沿竖直方向运动，2，因为圆球3在圆筒7内经过很短的时间就静止，所以，实验精度不高。为了使圆球3在圆筒7内只沿着竖直方向运动，并且延长圆球3和圆筒7的作用时间，可以这样优化：参见附图6。

    圆筒7内表面贴敷有一个圆管状的、厚度均匀的、用于使下落圆球3减速的缓冲筒71，缓冲筒71由弹性材料制成，且缓冲筒71的内径略小于圆球3的直径。附图7用来说明：缓冲筒71的内径略小于圆球3的直径。缓冲筒71可以由海绵制成。

    这样的设计，可以使圆球3只沿着竖直方向运动，并且，延长了圆球3和圆筒7的作用时间。

    “缓冲筒71的内径略小于圆球3的直径”中的“略”是什么意思呢？通常情况下，“略”字属于不清楚的表述，但是，相关领域技术人员看了本说明后，可以清楚的理解 “略”字的含义：“略”，在本装置中，是说，让圆球3收到缓冲筒71施加的阻力，并且可以进入到缓冲筒71，如果希望阻力大一点，那就让圆球3进入的时候，缓冲筒71紧一点，如果希望阻力小一点，缓冲筒71就松一点。相关领域技术人员应当知晓，倘若缓冲筒71内径远小于圆球3的直径，圆球3将无法进入缓冲筒71。换句话说：圆球3进入缓冲筒71的过程是挤进去的。

实施例六

    圆球3通过进入缓冲筒71进入了圆筒7，那怎么取出来呢？所述圆筒7底部还设有一个便于捅出圆球3的顶出孔72，就可以解决这个问题，用一根细杆，捅出来。不详述。

实施例七

    参见附图9，所述的连接架4由用来改变固定板41和置物板42间距的上连接架43、下连接架44以可伸缩方式连接而成，上连接架43竖直设置，下连接架44也竖直设置，上连接架43上端固定连接固定板41，下连接架44下端固定连接置物板42。

    调节固定板41和置物板42的高度差，有很多种方式，调节置物板42所在位置是容易想到的，但是，为什么本发明没有采用这样的方式呢？原因是：如果仅仅通过改变置物板42的位置来改变上下高度差，那么，连接架4的总高度是不变的，这给包装、运输带来麻烦。

    可伸缩方式属于现有技术。相关领域技术人员应当知晓，本发明所述的上连接架43、下连接架44还设置有伸缩到位后用来确定固定板41、置物板42高度的锁定装置，比如确定了伸缩长度以后，用螺杆连接上连接架43和下连接架44，以确保该高度不发生变化，如果要再次改变高度，可以拆下螺杆，然后，重新设定一个长度，再次固定。这种技术属于现有技术。

实施例八

    参见附图10，上连接架43设置有用来标示高度的上刻度431，下连接架44设置有用来标注高度的下刻度441，且：圆球3吸附于磁铁时，与圆球3最下端水平线平齐的刻度作为刻度的原点。有了刻度，就便于测量高度。若想知道某一段高度，可以综合上刻度431和下刻度441的示数获悉。

实施例九：

    参见附图11，圆筒7上端开头处还固定连接一个圆锥筒73，圆锥筒73上端设有圆形的、供圆球3进入的上开口731，圆锥筒73下端设有圆形的下开口732，下开口732的边缘和圆筒7上端的边缘固定连接，上开口731的直径略大于圆球3的直径。这样设计的优点是：1，确保圆球3沿着竖直线进入圆筒7，2，如果圆球3没有“瞄准”圆筒7的轴线，圆球3将无法进入圆筒7。参见附图12，用来表达圆锥筒73的形状。

实施例十

     参见附图13，上开口731还设有用来使下落圆球3减速的冲击片74，冲击片74外圈为圆形，冲击片74的外圈和上开口731边缘固定连接，冲击片74由厚度均匀的、薄片状、弹性材料制成，冲击片74内圈设置有呈均匀放射状的孔，孔的中心位于：圆筒7的轴线。这些放射状的孔，形成了多个用来施加阻力的下压片741。冲击片74可以用薄的钢片制成，也可以用橡胶片制成。

    这样设计的好处是：圆球3进入缓冲筒71后，受到的阻力变化不足够大，（实际上，圆球3在缓冲筒71内受到的阻力是有波动的，甚至阻力的方向也可以由竖直向上变为竖直向下。）为了使阻力变化更明显，可以设置一个冲击片74，冲击片74施加的阻力和缓冲筒71施加的阻力不同，使得圆球3受到的阻力变化明显。

    圆球3进入冲击片74时，下压片741向下形变，相关领域技术人员应当知晓，要选择合适的冲击片74尺寸，以使圆球3能够进入圆筒7，如果选用面积太小的冲击片74，圆球3无法挤入圆锥筒73内部，更无法进入圆筒7内部。

实施例十一

    实施例八有一个不足：调整高度以后，无法直接从刻度读取高度，只能：读取上刻度431的一部分，再读取下刻度441的一部分，然后，计算得到高度差。这给读数造成不便。倘若设计一个：伸缩后，刻度读数不便的伸缩装置，就可以解决这个问题。

    附图15就是这样一个装置，图15是该装置的结构示意图。该装置伸缩后，读数的时候，不需要计算上下刻度。

    上连接架43的一个侧面设置有竖直方向的凹槽82，凹槽82内设有用于驱动齿轮93的齿条81；

下连接架44设有一个壳体，壳体的一个面设有供齿轮93外伸、以使齿轮93和齿条81啮合的延伸孔94，设有延伸孔94的侧面和设有凹槽82的侧面贴合，

下连接架44的壳体内设有一个用于确定齿轮93转动轴线的转轴，该转轴所在轴线为水平方向，

下连接架44的壳体内还设置有第一张紧轮91、第二张紧轮92，第一张紧轮91、第二张紧轮92其转轴轴线均为水平方向，且该转轴轴线和齿轮93的转轴轴线垂直，

还设有：与第一张紧轮91、第二张紧轮92同步转动的传动带95，

齿轮93通过传动装置97驱动第一张紧轮91转动，

壳体设有读数开口96以使传动带95的一个面可视，在可视范围内：传动带95所在平面为竖直平面，传动带95运动方向为竖直方向；且：下连接架44沿竖直方向的速度与传动带95沿竖直方向的速度等大、反向，

读数开口96所在平面和延伸孔94所在平面垂直，

下连接架44设置有用来标注高度的下刻度441，且该刻度标注于传动带95，上连接架43设置有用来标示高度的上刻度431，且上刻度431和下刻度441在刻度重叠区域所标注的刻度数值相同，且：圆球3吸附于磁铁时，与圆球3最下端水平线平齐的刻度作为刻度的原点。

    图16、17是局部放大图。图18、19是上连接架43、下连接架44的组合图，图20是图19的局部放大图。

    解释：

上连接架43的一个侧面设置有竖直方向的凹槽82，凹槽82内设有用于驱动齿轮93的齿条81，优选方式是：齿条81设置于凹槽82的底面。

    还设有：与第一张紧轮91、第二张紧轮92同步转动的传动带95， 所谓同步转动，意思是说不打滑，也就是说，传动带95和张紧轮接触的地方，有相同的线速度。

    齿轮93通过传动装置97驱动第一张紧轮91转动，解释：1，就是说让第一张紧轮91作为主动轮，让第二张紧轮92作为从动轮，2，让齿轮93转动，带动张紧轮，从而使传动带95运动起来，这不但属于现有技术，还属于普通技术人员就知晓的技术方案。

    壳体设有读数开口96以使传动带95的一个面可视，解释：如果没有读数开口96，壳体就会遮挡住传动带95。传动带95可以设置在壳体内部，也可以从读书开口96处漏出壳体。也可以设置一个槽子，让传动带95卡在槽子里面运动。 换句话说：还可以：壳体设置用来约束传动带95、使传动带95保持同一平面的卡槽。

    在可视范围内：传动带95所在平面为竖直平面，传动带95运动方向为竖直方向；解释：不可视范围内，传动带95所在平面可以不是竖直平面，比如为了让传动带95错开齿轮93，可以加一些转动轮。所以强调：“在可视范围内”。

    下连接架44沿竖直方向的速度与传动带95沿竖直方向的速度等大、反向，解释：下连接架44往上运动x厘米，在可视范围内的传动带95就会往下运动x厘米。虽然这属于功能性表述，但是，这样的设计属于本领域技术人员不需要创造性劳动就可以完成的，只要设置一定的传动比，就可以获得这样的技术效果。

    下连接架44设置有用来标注高度的下刻度441，且该刻度标注于传动带95，上连接架43设置有用来标示高度的上刻度431，且上刻度431和下刻度441在刻度重叠区域所标注的刻度数值相同，且：圆球3吸附于磁铁时，与圆球3最下端水平线平齐的刻度作为刻度的原点。解释：参见附图21、22，这两个附图，是下连接架44的两个不同位置，比如，图21，下连接架44的刻度10和上连接架43的刻度10对齐，下连接架44的刻度15和上连接架43的刻度15对齐；下连接架44往上移动一端距离后，传动带95同步往下运动，使得刻度仍然重合：见图22，下连接架44的刻度10和上连接架43的刻度10仍然对齐，下连接架44的刻度15和上连接架43的刻度15仍然对齐。这样就不需要通过计算就可以直接获得高度读数。

    相关领域技术人员应当知晓，本发明所述的上连接架43、下连接架44还可以设置有伸缩到位后用来确定固定板41、置物板42高度的锁定装置，也可以说：上连接架43、下连接架44还设置有用来锁定上连接架43、下连接架44，以使上连接架43、下连接架44形成固定连接的锁定装置，比如确定了伸缩长度以后，用螺杆连接上连接架43和下连接架44，以确保该高度不发生变化，如果要再次改变高度，可以拆下螺杆，然后，重新设定一个长度，再次固定。锁定可伸缩装置的装置属于常规技术手段，所以没有写入该专利要保护的范围内，好比壳体还有螺杆来固定很多装置，这些螺杆也不必写入专利要保护的范围内。锁定装置可以是这样的：上连接架43开设有两个条状孔，这两个条状孔分居凹槽82两侧，且这两个条状孔都沿竖直方向开设，下连接架44开设有多个与条状孔对应的、用于穿过螺杆的螺杆孔，固定的时候，把螺杆穿过螺杆孔和条状孔，然后，用螺母拧紧。

    相关领域技术人员应当知晓，为了确保伸缩的时候，总是沿着竖直方向改变缩进或伸长，还可以设置滑槽，最好是燕尾槽，还设有与滑槽配合的滑条。滑槽和滑条都是沿着竖直方向设置。这是常规技术手段，不详述。

    相关领域技术人员应当知晓，传动带95要尽可能采用拉伸形变比较小的传动带95制成，因为刻度标注在传动带95，如果拉伸形变比较大，那么，刻度就会不准确。可以这样减小误差：1，张紧轮采用齿轮式的张紧轮，传动带95采用带有齿孔的传动带95，好比常见自行车的齿轮和链条。这样的设计，不但确保了同步，还可以使拉伸形变很小。2，在传动带95上标注刻度前，就考虑到传动带95的伸长效应，比如，1cm的刻度，标注的时候，标记距离为0.8cm，当拉伸后，这两个刻度之间的距离恰好为1cm。

    实施例四至实施例十一所述装置，均可以做为测量重力加速度、验证变力作用下动量定理的装置。也就是说，本发明所述的测量重力加速度的方法可以任意一个实施例所表述的装置，本发明所述的验证变力作用下动量定理的方法，可以采用实施例四到实施例十一任意一个实施例所述的装置。

   本说明书所述的各个实施例可以合理的组合使用。本发明所述的测量重力加速度的测量方法，所得重力加速度相对误差介于0.1%---0.2%，所述的验证变力作用下动量定理的方法，重力的冲量和弹力的冲量的差值，相比弹力的冲量，相对误差介于0.1%---0.2%。具有精度高的优点。

   本发明所述的装置，在动力学研究领域具有多种功能，本发明所述的测量方法，具有精度高、操作方便。

Claims (1)

1.一种验证变力作用下动量定理的方法，其特征在于：所述方法应用于一种多功能动力学研究装置，所述装置，包括：固定设置的、用于测量竖直向下拉力的力传感器，且：力传感器的探头固定连接固定板，固定板呈平板状，且固定板所在平面为水平面，固定板下表面固定连接电磁铁，电磁铁下端吸附有一个用于下落的圆球，圆球由软磁性材料制成，还包括竖直方向设置的连接架，连接架的上端和固定板固定连接，连接架的下端固定连接置物板，置物板呈平板状，置物板所在平面为水平面，

还包括一个位于置物板上表面的、用于承接圆球的圆筒，圆筒和置物板以可拆卸方式连接，圆筒上方设有供圆球进入圆筒的开口，

所述方法包括：

第一步，给电磁铁通电，吸附圆球，并保持圆球静止，测量圆球最低端至自由落体过程末点的高度为差h；力传感器开始采集其所受拉力的数据，此时传感器所受拉力为a；

第二步，电磁铁断电，圆球下落；传感器所受拉力由a变为b，此时刻记为t₁；

第三步，圆球在自由落体末点，传感器所受拉力由b变为c，此时刻记为t₂；

第四步，圆球自t₃时刻起静止，传感器所受拉力恢复为a；

第五步，查找手册，获得试验地点的重力加速度数值为g，以h作为自由落体的高度，由公式                                                计算自由落体末状态的速度v；

第六步，以t₂为研究过程的起始时刻，以t₄（t₄ t₃）为研究过程的末时刻，则，起始时刻圆球的速度为v，末时刻圆球的速度为0，研究过程历时为t₅=t₄-t₂；

第七步，t₅时间内，圆球所受重力的冲量为I_G=（a-b）t₅；

第八步， 在F-t图像中，t₅时间内图像和时间轴所夹面积为S₁，b乘以t₅为S₂，取S=S₁-S₂；

第九步，t₅时间内，圆球所受弹力的冲量为I_N，I_N在数值上等于S，在误差允许范围内：

若：，则验证：变力作用下的动量定理成立。