CN107798967A - 机械能守恒验证仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机械能守恒验证仪，包括单摆小锤，滑动座，弹簧，测量杆；初始状态下，单摆小锤通过电磁铁固定在测量杆上；开启实验开关后，电磁铁磁性消失，小锤自由下落撞击滑动座；单摆小锤下落时将自身的重力势能转换成动能；单摆小锤撞击滑动座，将单摆小锤的动能转化滑动座的动能；使滑动座拖着纸带在气轨上滑动，打点计时器在纸带上打下一系列小点，通过小点之间距离与时间的关系确定滑动座的速度；滑动座上撞击柱撞击在弹簧的撞击面上，压缩弹簧，使其发生弹性形变；从而将小车的动能转化成弹性势能，并通过传感器测量其形变；本发明所述的机械能守恒验证仪原理，简单操作，方便数值测量准确，机械能验证过程全面。

Description

机械能守恒验证仪
技术领域
本发明涉及一种基础物理教学用具，具体涉及一种机械能守恒验证仪。
背景技术
当前基础物理实验教学用具中，机械能守恒验证仪采用的双单摆结构，结构过于简单，测量数值困难；单摆小球下落撞击另一单摆小球方式，将机械能传导到另一单摆小球上，这种方式仅体现重力势能运动前后能量不变，不能体现运动过程中由重力势能转化为动能依然守恒，机械能守恒验证不够完善；而且机械能包括动能和势能，而势能又包括重力势能和弹性势能，对机械能转化成弹性势能的验证也需要添加到机械能守恒验证中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种机械能守恒验证仪，本发明所述的机械能守恒验证仪原理简单，操作方便，数值测量准确，机械能验证过程全面；
本使用发明解决其存在的问题所采用的技术方案是：
所述机械能守恒验证仪包括：底座，立杆，测量杆；所述底座上端右侧设有气轨，所述气轨中空并与气泵通过管路连接，所述气泵与控制开关电性连接，所述气轨侧面和顶面均匀设有气孔，所述气轨端部设有限位块，所述限位块面向气轨一侧设有弹簧，所述弹簧尾端设有撞击面，所述气轨端部弹簧和撞机面两侧设有光栅测距传感器；所述气轨上配合设有可前后滑动截面呈┏┓形的滑动座，所述滑动座顶面设有固定座，所述固定座上端设有撞击柱，所述撞击柱轴向与滑动座运动方向一致，所述撞击柱前端面超出滑动座前端面并正对撞击面；所述底座上表面中间设有立杆，所述立杆上端弯折，所述立杆弯折部分中段设有转动轴承，所述转动轴承连接有单摆小锤，所述单摆小锤静止状态下前端面正对撞击柱后端面；所述底座中间设有打点计时器，所述滑动座尾端固定设有纸带，所述纸带穿过打点计时器的限位孔，所述打点计时器与控制开关电性连接，所述底座左侧上表面设有凸条，所述测量杆底部设有截面呈┏┓形的测量杆座，所述凸条与测量杆座滑动配合，所述测量杆正面设有可上下移动和竖直平面内转动的平台，所述平台下表面设有电磁铁，所述电磁铁与控制开关电性连接，所述平台下表面正对初始状态下单摆小锤的后端面，所述测量杆正表面设有刻度线，所述刻度线的0刻度与静止状态下单摆小锤重心点在同一水平面上。
进一步的，所述转动轴承与单摆小锤采用细线或者尼龙丝连接，所述单摆小锤为金属材质；
得益于上述改进结构，细线相对单摆小锤来说重量可忽略不计，从而减少了小锤下落过程中受细线质量和风阻力的影响，提高仪器准确性。
进一步的，所述弹簧为理想弹簧并遵循胡克定律F＝-KX；
得益于上述改进结构，在滑动座撞击撞击面后，将滑动座全部动能转换成弹簧的弹性势能，并通过光栅测距传感器得出弹簧弹性形变大小，从而计算最终弹性势能的数值。
进一步的，所述测量杆上的平台内侧设有转轴，转轴与测量杆连接部分为可以上下滑动并通过螺钉旋紧固定的结构，或可拆的磁性固定块；
得益于上述改进结构，更简单的调节初始位置的高度，确定初始状态下的机械能，通过测量杆上的刻度线，可以更方便直接的读出初始位置高度。
进一步的，所述打点计时器也可以采用电火花打点计时器或者电磁打点计时器；
得益于上述改进结构，通过计算纸带上各点之间距离与时间的关系可求出滑动座撞击后的运动速度，再称量滑动座的质量从而计算出滑动座移动时的动能。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果：
1、实验操作过程中将重力势能转化成动能，再转化成弹性势能，验证机械能守恒定律更加全面具体。
2、测量杆上设有可上下运动的平台，更简单的调节初始位置的高度，确定初始状态下的机械能，通过测量杆上的刻度尺，可以更方便直接的读出初始位置高度，此时仅考虑重力势能。
3、采用单刀双掷开关，断开电磁铁电源的同时，打开打点计时器和气泵电源开关，减少操作复杂性，减少操作失误可能性。
4、采用光栅测距传感器更精确的测量弹簧的弹性形变，且不会产生摩擦力或其他阻力的影响。
5、金属单摆小锤与细线线组合，减少了小锤下落过程中受风阻力的影响，提高仪器准确性。
6、采用气垫导轨结构使滑动座滑动过程中没有摩擦力或其它阻力，提高仪器验证准确性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是所述机械能守恒验证仪一种实施例的安装示意图。
图2是所述机械能守恒验证仪一种实施例的正视图。
图3是所述机械能守恒验证仪一种实施例滑动座和气轨的剖视图。
图4是所述机械能守恒验证仪一种实施例弹簧和光栅测距传感器的安装示意图。
图中:
1.底座；
211.气轨，212.气孔，221.限位块，222.弹簧,223.撞击面,23.光栅测距传感器；
31.滑动座，32.固定座，33.撞击柱；
41.立杆，42.转动轴承，43.单摆小锤，44.细线；
51.打点计时器，52.纸带，53.凸条；
61.测量杆，62.测量杆座，63.平台。
具体实施方式
附图为该一种机械能守恒验证仪的最佳实施例，下面结合附图对本发明进一步详细的说明：
所述机械能守恒验证仪包括：底座1，立杆41，测量杆61。
所述底座1上端右侧设有气轨211，所述气轨211中空并与气泵通过管路连接，所述气泵与控制开关电性连接，所述气轨211侧面和顶面均匀设有气孔212；采用气轨211结构使滑动座31滑动过程中没有摩擦力或其它阻力，提高仪器验证准确性。
所述气轨211端部设有限位块221，所述限位块221面向气轨211一侧设有弹簧222；通过弹簧形变最终将所有的机械能转化成弹簧222的弹性势能，更全面的体现了机械能守恒定律。
所述弹簧222尾端设有撞击面223，所述气轨211端部弹簧222和撞机面两侧设有光栅测距传感器23；采用光栅测距传感器23更精确的测量弹簧222的弹性形变，且不会产生摩擦力或其他阻力的影响。
所述气轨211上配合设有可前后滑动截面呈┏┓形的滑动座31，所述滑动座31顶面设有固定座32，所述固定座32上端设有撞击柱33，撞击柱为金属材质，金属配重防止运动速度过快，可使得实验更精确；所述撞击柱33轴向与滑动座31运动方向一致，所述撞击柱33前端面超出滑动座31前端面并正对撞击面223。
所述底座1上表面中间设有立杆41，所述立杆41上端弯折，所述立杆41弯折部分中段设有转动轴承42，转动轴承42减少因为单摆小锤43转动而引起的摩擦阻力；所述转动轴承42连接有单摆小锤43，所述单摆小锤43静止状态下前端面正对撞击柱33后端面；采用金属单摆小锤，减少了小锤下落过程中受风阻力的影响，提高仪器准确性。
所述底座1中间设有打点计时器51，所述滑动座31尾端固定设有纸带52，所述纸带52穿过打点计时器51的限位孔，所述打点计时器51与控制开关电性连接；采用打点计时器通过纸带相邻两点的距离和时间关系计算速度，可使学生更明确理解速度的定义。
所述底座1左侧上表面设有凸条53，所述测量杆61底部设有截面呈┏┓形的测量杆座62，所述凸条53与测量杆座62滑动配合，测量杆座前后滑动可调节因为单摆小锤高度不同所对应与立杆水平距离不同。
所述测量杆61正面设有可上下移动和竖直平面内转动的平台63；测量杆上设有可上下运动的带电磁铁的平台，更简单的调节初始位置的高度，确定初始状态下的机械能，测量杆上的刻度尺，更方便直接的读出初始位置高度，此时仅考虑单摆小锤的重力势能。
所述平台63下表面设有电磁铁，所述电磁铁与控制开关电性连接，所述平台63下表面正对初始状态下单摆小锤43的后端面，所述测量杆61正表面设有刻度线，所述刻度线的0刻度与静止状态下单摆小锤43重心点在同一水平面上。
进一步的，所述转动轴承42与单摆小锤43采用细线44或者尼龙丝连接，所述单摆小锤43为金属材质；
得益于上述改进结构，细线44相对单摆小锤43来说重量可忽略不计，从而减少了小锤43下落过程中受细线44质量和风阻力的影响，提高仪器准确性。
进一步的，所述弹簧222为理想弹簧并遵循胡克定律F＝-KX；
得益于上述改进结构，在滑动座31撞击撞击面223后，将滑动座31全部动能转换成弹簧222的弹性势能，并通过光栅测距传感器23得出弹簧222弹性形变大小，从而计算最终弹性势能的数值。
进一步的，所述测量杆61上的平台63内侧设有转轴，转轴与测量杆61连接部分为可以上下滑动并通过螺钉旋紧固定的结构，或可拆的磁性固定块；
得益于上述改进结构，更简单的调节初始位置的高度，确定初始状态下的机械能，通过测量杆61上的刻度线，可以更方便直接的读出初始位置高度。
进一步的，所述打点计时器51也可以采用电火花打点计时器或者电磁打点计时器；得益于上述改进结构，通过计算纸带52上各点之间距离与时间的关系可求出滑动座31撞击后的运动速度，再称量滑动座31的质量从而计算出滑动座31移动时的动能。
进一步的，所述机械能守恒验证仪的操作步骤包括：
1、初始状态下，接通电磁铁电源，电磁铁通电，单摆小锤通过电磁铁磁性固定在测量杆的平台上，此时系统重力势能＝m*g*h；滑动座静止停靠在原点位置，滑动座上端撞击柱后端面位于单摆小锤平放静止状态下，单摆小锤前端面的位置。
2、拨动单刀双掷开关，切断电磁铁电源的同时，接通气泵和打点计时器的电源开关，打点计时器开始在纸带上进行打点，气泵将气轨充满气，气体通过气孔外溢，使滑动座悬浮。
3、电磁铁磁性消失，小锤自由下落，单摆小锤下落时将自身的重力势能转换成动能；单摆小锤撞击滑动座，将单摆小锤的动能转化滑动座的动能,此时系统动能大小Ek＝(mv^2)/2；使滑动座拖着纸带在气轨上滑动，打点计时器在纸带上打下一系列小点，通过小点之间距离与时间的关系确定滑动座的速度。
4、滑动座上撞击柱撞击在弹簧的撞击面上，压缩弹簧，使其发生弹性形变；从而将小车的动能转化成弹性势能，并通过传感器测量其形变，通过撞击面对光栅测距传感器的遮挡可得出弹性形变大小，通过公式弹性势能＝弹力做功＝∫(0-x)kx*dx＝1/2k*x^2，可求出最终弹性势能大小。
5、除去系统误差，计算求出重力势能等于动能等于弹性势能，可得出机械能守恒定律。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种机械能守恒验证仪，其特征在于：所述机械能守恒验证仪包括：底座(1)，立杆(41)，测量杆(61)；
所述底座(1)上端右侧设有气轨(211)，所述气轨(211)中空并与气泵通过管路连接，所述气泵与控制开关电性连接，所述气轨(211)侧面和顶面均匀设有气孔(212)，所述气轨(211)端部设有限位块(221)，所述限位块(221)面向气轨(211)一侧设有弹簧(222)，所述弹簧(222)尾端设有撞击面(223)，所述气轨(211)端部弹簧(222)和撞机面两侧设有光栅测距传感器(23)；
所述气轨(211)上配合设有可前后滑动的滑动座(31)，所述滑动座(31)截面为┏┓形，所述滑动座(31)顶面设有固定座(32)，所述固定座(32)上端设有撞击柱(33)，所述撞击柱(33)轴向与滑动座(31)运动方向一致，所述撞击柱(33)前端面超出滑动座(31)前端面并正对撞击面(223)；
所述底座(1)上表面中间设有立杆(41)，所述立杆(41)上端弯折，所述立杆(41)弯折部分中段设有转动轴承(42)，所述转动轴承(42)连接有单摆小锤(43)，所述单摆小锤(43)静止状态下前端面正对撞击柱(33)后端面；
所述底座(1)中间设有打点计时器(51)，所述滑动座(31)尾端固定设有纸带(52)，所述纸带(52)穿过打点计时器(51)的限位孔，所述打点计时器(51)与控制开关电性连接，所述底座(1)左侧上表面设有凸条(53)，所述测量杆(61)底部设有截面呈┏┓形的测量杆座(62)，所述凸条(53)与测量杆座(62)滑动配合，所述测量杆(61)正面设有可上下移动和竖直平面内转动的平台(63)，所述平台(63)下表面设有电磁铁，所述电磁铁与控制开关电性连接，所述平台(63)下表面正对初始状态下单摆小锤(43)的后端面，所述测量杆(61)正表面设有刻度线，所述刻度线的0刻度与静止状态下单摆小锤(43)重心点在同一水平面上。
2.根据权利要求1所述的机械能守恒验证仪，其特征在于：
所述转动轴承(42)与单摆小锤(43)采用细线(44)或者尼龙丝连接，所述单摆小锤(43)为金属材质。
3.根据权利要求1所述的机械能守恒验证仪，其特征在于：
所述弹簧(222)为理想弹簧并遵循胡克定律F＝-KX。
4.根据权利要求1所述的机械能守恒验证仪，其特征在于：
所述测量杆(61)上的平台(63)内侧设有转轴，转轴与测量杆(61)连接部分为可以上下滑动并通过螺钉旋紧固定的结构，或可拆的磁性固定块。
5.根据权利要求1所述的机械能守恒验证仪，其特征在于：
所述打点计时器(51)为电火花打点计时器或者电磁打点计时器。
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