CN107945627A - 一种多功能单摆教学试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能单摆教学试验仪，包括单摆球、单摆线和走纸机构，单摆球固定连接在单摆线下端，单摆线采用柔性轻质细管，上端连接到纵向管，纵向管连接到墨盒，墨盒安装在立柱上，立柱下端固定连接在底座上，底座上安装有横向的走纸机构。本发明通过走纸机构使放置了白纸的载纸板移动，等墨汁经过单摆线和单摆球流到移动的纸上，绘出清晰可见的图像，实现单摆全过程无遗漏的记录，利用刻度尺量出图像长度，与载纸板运动的固定速度进行计算所记录的时间，再数出图像中的周期数，与得出的时间算出一个周期的时间，使得出数据更准确。

Description

一种多功能单摆教学试验仪

技术领域

本发明属于教学教具技术领域，具体涉及一种多功能单摆教学试验仪。

背景技术

单摆实验需要测量单摆简谐运动的周期和摆长，通过物理学公式计算当地的重力加速度。传统的单摆实验仪仅有摆长的测量相对容易，而周期的测量步骤既复杂又不易操作。传统的单摆实验仪在周期时，由于仪器不具备专门的周期测量仪，需要通过累计简谐运动的周期数所用时间，利用公式计算周期的近似值。

传统的单摆实验仪只能完成简单的验证性实验，很难进行拓展实验内容，培养学生创新能力。

传统的单摆实验仪的操作难度系数大，一旦出错就只能重新开始实验。试验期间，实验者必须全神贯注，观察实验现象并正确记录实验数据。

传统的单摆实验仪在累计摆球运动周期时，容易数错，很难与计时器完全同步，造成数据误差极大，拉大实验结果与实际结果的差距。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种多功能单摆教学试验仪，易于拓展，降低操作者难度，提高精确度，降低误差，以解决现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种多功能单摆教学试验仪，包括单摆球、单摆线和走纸机构，单摆球固定连接在单摆线下端，单摆线采用柔性轻质细管，上端连接到纵向管，纵向管连接到墨盒，墨盒安装在立柱上，立柱下端固定连接在底座上，底座上安装有横向的走纸机构。

优选的，上述单摆线顶端采用Y型结构连接到两对称的纵向管。

优选的，上述走纸机构包括走纸板和驱动机构，走纸板通过滑块导轨副连接到底座上，驱动机构连接在走纸板底部。

优选的，上述驱动机构包括丝杠丝母副和驱动电机，丝杠丝母副的丝母固定连接在丝母座上，与丝母相配合的丝杠两端通过轴承座固定连接到底座上，丝杠一端伸出轴承座后连接有驱动电机，驱动电机固定连接在底座上。

优选的，上述底座上设置有纵向V型集墨槽，集墨槽位于单摆球纵向摆动正下方，集墨槽一端封闭，另一端通过排液管连接到收集墨水盒。

优选的，上述一种多功能单摆教学试验仪，还包括单摆线摆长控制杆，摆长控制杆可上下移动地连接到立柱上，摆长控制杆设置有穿入单摆线的多个竖直通孔。

优选的，上述底座上设置有暖风烘干器，暖风烘干器架设在走纸机构上，能够正对走纸板吹风。

优选的，上述暖风烘干器包括电阻加热丝和暖风扇，电阻加热丝安装在加热腔中，加热腔底部设置有暖风扇，暖风扇连通透气腔，透气腔底部设置有透气孔。

优选的，上述暖气烘干器朝向单摆线一侧设置有挡风板。

优选的，上述挡风板上设置有可移动的量角器。

与现有技术相比，本发明的效果如下：

（1）本发明通过走纸机构使放置了白纸的载纸板移动，等墨汁经过单摆线和单摆球流到移动的纸上，绘出清晰可见的图像，实现单摆全过程无遗漏的记录，利用刻度尺量出图像长度，与载纸板运动的固定速度进行计算所记录的时间，再数出图像中的周期数，与得出的时间算出一个周期的时间，使得出数据更准确；

（2）本发明中的仪器底座设置了V型集墨槽，使其上方低落的墨滴掉下，使其与倾斜的接触面形成较的大角度，减少墨滴溅起的可能性，同时回收已经利用过的墨汁，实现循环使用，既经济又环保；

（3）本发明通过在试验仪上安装暖风干燥器，对已载有墨汁的白纸进行烘烤，使墨滴在纸上迅速风干，形成清晰可见的图形，避免造成图像被弄花而影响实验，在靠近单摆的一边设置挡风板，避免暖风干燥器产生的风对摆球的运动造成影响的同时，允许载纸板顺利通过且不漏风到摆球运动的一边；

（4）本发明可同时进行多个单摆实验，可比较相同条件和不同条件的单摆运动情况，利用可调控摆杆调节某一根摆线长度，实现一次实验完成多个实验的任务，易于实现实验扩展；

（5）本发明可在实验开始后，只管等待结果，免累计单摆运动次数和同步计时的工作，免安装计时器和计数器；

（6）本发明利用简单形象的机械解释实验原理，取代了技术含量更高的电子计时和计数设备，在教学领域中使学生更容易理解。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的右视结构示意图；

图3是本实用新的驱动电机连接结构示意图；

图4是本发明的暖气加热器结构示意图；

图5是本发明的摆高控制装置结构示意图；

图6是本发明的原理结构示意图；

图7是周期试验单摆曲线图；

图8是滚动轴承连接处结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图8所示，一种多功能单摆教学试验仪，包括单摆球1、单摆线2和走纸机构7，单摆球1固定连接在单摆线2下端，单摆线2采用柔性轻质细管，上端连接到纵向管3，纵向管3连接到墨盒4，墨盒4安装在立柱5上，立柱5下端固定连接在底座6上，底座6上安装有横向的走纸机构7。

优选的，上述单摆线2顶端采用Y型结构连接到两对称的纵向管3，两纵向管3上连接有墨汁阀门，通过打开墨汁阀门，墨汁从墨盒中流向纵向管，纵向管流入单摆线，单摆线下端从单摆球上流出滴落到地面，单摆球的出液口连通单摆线内孔，出液口突出单摆球表面一段，便于液体滴落，Y型结构连接两纵向管，能够减少单摆球自转，摆动更准确。

优选的，上述走纸机构7包括走纸板8和驱动机构10，走纸板8通过两对滑块导轨副9对称连接到底座6上，驱动机构10连接在走纸板8底部，白纸放在走纸板上，走纸板边缘设置有刻度刻横，方便进行走纸板行走长度测量，增加走纸板功能性，提高测量效率和实验效率，滑块导轨副9的滑块固定连接在走纸板8底部，与滑块相配合的导轨固定连接在底座6上，导轨两端设置有弹簧缓冲装置，弹簧缓冲装置采用橡胶块50，橡胶块50通过挡板49固定连接在导轨端部上，通过弹簧缓冲装置，一方面起到安全限位作用，另一方面起到弹性缓冲作用，保护滑块和整个设备的使用安全性。

优选的，上述驱动机构10包括丝杠丝母副11和驱动电机12，丝杠丝母副11的丝母13固定连接在丝母座14上，与丝母13相配合的丝杠15两端通过轴承座16固定连接到底座6上，丝杠15一端伸出轴承座16后连接有驱动电机12，驱动电机12固定连接在底座6上，通过电机匀速转动，获得匀速移动的走纸板。

优选的，上述底座6上设置有纵向V型集墨槽17，集墨槽17位于单摆球1纵向摆动正下方，集墨槽17一端封闭，另一端通过排液管连接到收集墨水盒18，通过墨汁集墨槽17回收，避免造成不必要的浪费和弄脏实验设备。

优选的，上述一种多功能单摆教学试验仪，还包括单摆线摆长控制杆27，摆长控制杆27可上下移动地连接到立柱5上，摆长控制杆27设置有穿入单摆线2的多个竖直通孔28，摆长控制杆27通过套筒一29活动地套接在立柱5上，并采用锁紧螺钉一30锁紧，立柱5上设置有刻度线，便于调整摆长控制杆高度。

优选的，上述一种多功能单摆教学试验仪，还包括用于控制单摆球摆动高度的摆高控制装置，摆高控制装置包括悬臂杆31和挡针32，悬臂杆31通过套筒二45活动地连接在刻度线的立柱5上，并采用锁紧螺钉二46锁紧，挡针32水平垂直固定连接在滑动板33上，并与悬臂杆31保持水平垂直，滑动板33下端可活动地连接在滑动杆34上，滑动杆34安装在滑槽35中，并可沿着滑槽35长度方向移动，滑槽35沿着悬臂杆31长度方向布置在悬臂杆31上侧面，滑动杆34上套接有压缩弹簧36，压缩弹簧36一端抵靠在滑槽35侧壁上，另一端抵靠在滑动板33端面上，并位于挡针32相对一侧，滑动杆34两端安装有滚动轴承37，滚动轴承37活动地置于滑槽35侧壁的条形槽38中，滑动杆34一端伸出滚动轴承37后连接有齿条39，齿条39置于齿条槽40中，与齿条39相啮合的驱动齿轮41通过转轴42连接在一侧开口的齿轮腔43中，转轴42一端伸出齿轮腔43后连接有手柄44，摆高控制装置的控制原理：松开锁紧螺钉二，调节套筒二上下高度后并锁紧，转动手柄44，将驱动齿条39左右移动，齿条39移动后，能够将挡着偏离竖直的摆线位置，将单摆球1挂接到挡针32上，通过手动或推动机构瞬间回退滑动板，单摆球位于设定高度开始自由摆动，挡针32设置对称的两颗，挡针32采用光滑的钢针，直径小于2mm，转轴42两端通过轴承连接在齿轮腔43上，压缩弹簧36两端均设置有活动挡板48，活动挡板48连接压缩弹簧36一侧相对面为球面，便于滑动板移动。

上述摆高控制装置具有如下优点：

（1）通过可上下调整的悬臂杆，并采用挡针偏离将单摆球悬挂一定高度，悬臂杆上同时设置多个挡针，可以同时实现多个摆球的同时单摆，便于实现对比试验，操作简单，省时省力；

（2）通过滑动板、滑槽和滑动杆，能够实现挡针的快速回退，快速实现摆球的单摆，并采用复位弹簧进行复位，复位方便；

（3）通过齿轮齿条机构，驱动滑动板快速沿着悬臂杆移动，移动方便，省时省力，移动精度高，操作方便；

（4）滑动杆两端设置轴承，沿着水平条形槽移动，摩擦力小，导向性高，移动更精确。

优选的，上述底座6上设置有暖风烘干器19，暖风烘干器9架设在走纸机构7上，能够正对走纸板8吹风，暖风烘干器19为条形结构，两端通过支撑柱47支撑固定，支撑柱47固定连接在底座6上，悬空的暖风烘干器能够实现对走纸机构上的白纸烘干。

优选的，上述暖风烘干器19包括电阻加热丝20和暖风扇21，电阻加热丝20安装在加热腔22中，加热腔22底部设置有暖风扇21，暖风扇21连通透气腔23，透气腔23底部设置有透气孔24，加热腔22顶部设置有进风口，电阻加热丝加热后，通过暖风机将加热腔中热气抽入到透气腔中，透气腔通过底部透气孔排出并可垂直吹向走纸板上的白纸，实现白纸上墨汁的快速烘干，提高实验效率，避免滴落的墨汁曲线弄花。

优选的，上述暖气烘干器19朝向单摆线2一侧设置有挡风板25，能够避免热风对单摆的影响，挡风板20上设置有可移动的量角器26，量角器26为U型结构，夹持在挡风板20顶部，并采用量角锁紧螺钉锁紧，量角器26面向单摆线一侧设置有角度刻度，挡风板20上面向单摆线一侧设置有等高刻度线，便于实现单摆长度控制高度调整和摆高控制高度的调整，挡风板25下端略高于走纸板。

单摆仪使用原理：在走纸板8上铺满整张白纸，调整摆长控制杆27上下高度控制单摆线摆长，并将单摆球通过摆高控制装置调节到设定高度，打开墨汁阀门，当有墨汁滴落时，迅速让单摆球进行自由摆动，并让走纸板8在驱动电机驱动下匀速移动，控制走纸板移动的速度为V，结合绘出的图形长度S，利用公式T=S/V得到这段图形的时间；根据图形的周期数与时间T相除，可以得到一个周期的时间。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多功能单摆教学试验仪，其特征在于：包括单摆球（1）、单摆线（2）和走纸机构（7），单摆球（1）固定连接在单摆线（2）下端，单摆线（2）采用柔性轻质细管，上端连接到纵向管（3），纵向管（3）连接到墨盒（4），墨盒（4）安装在立柱（5）上，立柱（5）下端固定连接在底座（6）上，底座（6）上安装有横向的走纸机构（7）。

2.根据权利要求1所述的一种多功能单摆教学试验仪，其特征在于：单摆线（2）顶端采用Y型结构连接到两对称的纵向管（3）。

3.根据权利要求1所述的一种多功能单摆教学试验仪，其特征在于：走纸机构（7）包括走纸板（8）和驱动机构（10），走纸板（8）通过滑块导轨副（9）连接到底座（6）上，驱动机构（10）连接在走纸板（8）底部。

4.根据权利要求3所述的一种多功能单摆教学试验仪，其特征在于：驱动机构（10）包括丝杠丝母副（11）和驱动电机（12），丝杠丝母副（11）的丝母（13）固定连接在丝母座（14）上，与丝母（13）相配合的丝杠（15）两端通过轴承座（16）固定连接到底座（6）上，丝杠（15）一端伸出轴承座（16）后连接有驱动电机（12），驱动电机（12）固定连接在底座（6）上。

5.根据权利要求1所述的一种多功能单摆教学试验仪，其特征在于：底座（6）上设置有纵向V型集墨槽（17），集墨槽（17）位于单摆球（1）纵向摆动正下方，集墨槽（17）一端封闭，另一端通过排液管连接到收集墨水盒（18）。

6.根据权利要求1所述的一种多功能单摆教学试验仪，其特征在于：还包括单摆线摆长控制杆（27），摆长控制杆（27）可上下移动地连接到立柱（5）上，摆长控制杆（27）设置有穿入单摆线（2）的多个竖直通孔（28）。

7.根据权利要求1所述的一种多功能单摆教学试验仪，其特征在于：底座（6）上设置有暖风烘干器（19），暖风烘干器（9）架设在走纸机构（7）上，能够正对走纸板（8）吹风。

8.根据权利要求8所述的一种多功能单摆教学试验仪，其特征在于：暖风烘干器（19）包括电阻加热丝（20）和暖风扇（21），电阻加热丝（20）安装在加热腔（22）中，加热腔（22）底部设置有暖风扇（21），暖风扇（21）连通透气腔（23），透气腔（23）底部设置有透气孔（24）。

9.根据权利要求1所述的一种多功能单摆教学试验仪，其特征在于：暖气烘干器（19）朝向单摆线（2）一侧设置有挡风板（25）。

10.根据权利要求9所述的一种多功能单摆教学试验仪，其特征在于：挡风板（20）上设置有可移动的量角器（26）。