CN109377836A - 一种具有记录装置的高中生钟摆实验研究设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有记录装置的高中生钟摆实验研究设备，包括钟摆结构以及影像采集装置，钟摆结构由龙门架组件和摆球组件构成；龙门架组件包括底板、两根立柱以及横梁，底板呈水平板状结构，立柱呈竖直设置，且立柱采用锁紧螺栓固定在底板的上表面左右两侧；本发明利用高速相机在一定的定时范围内，高速的拍摄若干张图片，此时所拍摄的图片正好是钢摆球在投影板上的投影效果，而高速相机的拍摄范围可以通过固定板的前后位置来进行调节；同时通过将图片收集处理可以获得投影轨迹，以及任意时间点钢摆球的投影位置，以投影板作为笛卡尔坐标系，可以很快速的获取钟摆过程中的实际实验数据，整体相应的实验准确度更高。

Description

一种具有记录装置的高中生钟摆实验研究设备

技术领域

本发明涉及物理设备领域，尤其是涉及一种具有记录装置的高中生钟摆实验研究设备。

背景技术

摆动的钟摆是靠重力势能和动能相互转化来摆动的，简单的说，如果你把钟摆拉高，由于重力影响它会往下摆，而到达最低位置后它具有一个速度，它会继续冲过最低位置，而摆至最高位置就往回摆是因为重力使它减速直到0，然后向回摆，如此往复。

一般来说，摆的重量是确定的，调节摆的引用长度即可调整摆的振动周期。摆的引用长度减短，时钟变快；反之则变慢。对精密摆钟，也有用附加重物法来微调摆的振动周期。摆钟放置在不同的地理位置(不同的地球纬度和海拔高度)中，摆锤的重力加速度会发生变化从而影响其振动周期。摆钟放置在不同温度和气压的环境中，也会引起振动周期的变化。温度变化会引起摆的各部分尺寸包括摆的引用长度的变化。一般是温度升高，摆胀长而钟变慢；反之则摆缩短而钟变快。因此，精密摆钟常用不同的线胀系数的材料制成温度补偿管，以补偿温度影响。气压的变化会引起空气阻力和空气密度的变化，从而引起振动周期的变化。因此，精密的摆钟常将摆安装在恒压的壳体中，以消除气压影响。

对于物理实验来说，钟摆实验是最为基础的实验，但是目前传统的钟摆实验仅可以进行区分对比，实际实验数据的获取较难。

发明内容

本发明为克服上述情况不足，旨在提供一种能解决上述问题的技术方案。

一种具有记录装置的高中生钟摆实验研究设备，包括钟摆结构以及影像采集装置，钟摆结构由龙门架组件和摆球组件构成；

龙门架组件包括底板、两根立柱以及横梁，底板呈水平板状结构，立柱呈竖直设置，且立柱采用锁紧螺栓固定在底板的上表面左右两侧；横梁设置在立柱之间的位置，且横梁呈左右水平设置，横梁的左右两端焊接固定在相邻立柱的顶部位置；

摆球组件由钢摆球、吊绳以及吊环构成，吊环呈圆环状结构，且吊环的外表面上一体成型有向外凸出的螺杆部；横梁的底面中心位置开设有固定螺孔，吊环通过螺杆部螺纹旋入至固定螺孔内；吊绳采用尼龙丝线构成，吊绳的上端绑接固定在吊环上，钢摆球上开设有一贯通式的穿线孔，吊绳的下端穿过穿线孔并与钢摆球之间绑接固定；此时钢摆球自然状态下被吊绳所吊起，通过向钢摆球施加一定作用力使得钢摆球实现自由摆动，从而实现钟摆实验，通过改变吊绳的长度以及钢摆球的质量来对钟摆实验的相应变量的改变；

影像采集装置包括用于图像采集的高速相机以及辅助采像的遮光照明组件；

遮光照明组件分别设置在龙门架组件的前后两侧，其中遮光照明组件包括遮光罩，遮光罩呈空心的方筒状结构，且遮光罩的前后端均呈开口式结构；遮光罩的中轴线呈前后水平设置，且遮光罩的后端口左右侧边以胶粘的形式分别固定连接两根立柱的前端面，遮光罩的后端口顶边以胶粘的形式固定连接横梁的前端面；遮光罩的底面与底板的上表面之间平行并间隔设置；所述遮光罩的前端开口位置活动封盖有遮光板，遮光板呈平板状结构，其中遮光板的右侧边与遮光罩的前端开口右侧边采用合页铰接连接；此时遮光板呈翻动式结构，因此既可以对遮光罩的前端开口进行封盖，亦可以翻动至远离遮光罩的前端开口的位置；所述遮光板的内表面中心位置采用螺丝固定安装有定向光源，且当遮光板呈左右向竖直封盖在遮光罩的前端开口处时，定向光源的光线发射向呈前后水平设置；所述遮光照明组件还包括背板，背板与遮光罩的后端口之间呈前后正对设置，背板采用胶粘的形式分别固定连接立柱以及横梁的后表面；背板的中心位置开设有方形的开口，开口与遮光罩之间共轴设置；且该开口位置嵌入固定有半透明的投影板，投影板用于减弱光线的穿透效果，此时在定向光源的照射作用下，由于钢摆球的阻挡使得投影板上可以产生对应的阴影投影，此时钢摆球在摆动时对应的可以在投影板上产生投影轨迹；所述投影板的后方前后正对设置有固定板，固定板的前表面四角位置采用螺丝固定有前后水平设置的调节升缩杆，调节升缩杆的前端采用螺丝固定在背板的后表面四角位置；此时固定板与投影板之间的前后间距可以实现有效的调节；所述固定板的前表面中心位置采用螺栓固定有高速相机，高速相机的拍摄向水平朝前设置，利用高速相机在一定的定时范围内，高速的拍摄若干张图片，此时所拍摄的图片正好是钢摆球在投影板上的投影效果，而高速相机的拍摄范围可以通过固定板的前后位置来进行调节；同时通过将图片收集处理可以获得投影轨迹，以及任意时间点钢摆球的投影位置，以投影板作为笛卡尔坐标系，可以很快速的获取钟摆过程中的实际实验数据，整体相应的实验准确度更高。

作为本发明进一步的方案：所述横梁的下表面以及底板的上表面均采用螺丝固定安装有直线导轨，直线导轨呈左右设置并上下正对设置，且直线导轨之间设有呈竖直设置的导向滑板，导向滑板的上下端部采用螺丝锁紧固定有滑块，滑块滑动嵌入至直线导轨内，此时导向滑板在直线导轨的导向作用下可以实现左右滑动，且所述导向滑板位于钢摆球的左侧位置。

作为本发明进一步的方案：所述导向滑板的右侧面上采用螺丝固定有平板式电磁铁，且平板式电磁铁的右侧面呈前后走向的竖直平面状结构，利用平板式电磁铁的通电产生磁性可以实现对钢摆球的点吸附，而平板式电磁铁的断电可以快速的实现钢摆球的脱离。

作为本发明进一步的方案：所述导向滑板的左端面上焊接固定有呈左右水平设置的拉杆，其中拉杆活动穿过左侧立柱上的导向孔，利用导向孔方便左右推拉拉杆。

作为本发明进一步的方案：所述遮光罩采用不透明的塑料材质制成，且遮光罩的内表面上胶粘贴有防反光贴膜。

本发明的有益效果：本发明利用高速相机在一定的定时范围内，高速的拍摄若干张图片，此时所拍摄的图片正好是钢摆球在投影板上的投影效果，而高速相机的拍摄范围可以通过固定板的前后位置来进行调节；同时通过将图片收集处理可以获得投影轨迹，以及任意时间点钢摆球的投影位置，以投影板作为笛卡尔坐标系，可以很快速的获取钟摆过程中的实际实验数据，整体相应的实验准确度更高。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构正视图；

图2是本发明的结构后视图。

图3是本发明的局部结构示意图。

图中：1、底板；2、立柱；3、横梁；4、吊环；5、吊绳；6、钢摆球；7、导向滑板；8、平板式电磁铁；9、拉杆；10、锁紧螺栓；11、遮光罩；12、遮光板；13、合页；14、定向光源；15、背板；16、调节升缩杆；17、投影板；18、螺丝；19、固定板；20、高速相机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～3，本发明实施例中，一种具有记录装置的高中生钟摆实验研究设备，包括钟摆结构以及影像采集装置，钟摆结构由龙门架组件和摆球组件构成；

龙门架组件包括底板1、两根立柱2以及横梁3，底板1呈水平板状结构，立柱2呈竖直设置，且立柱2采用锁紧螺栓10固定在底板1的上表面左右两侧；横梁3设置在立柱2之间的位置，且横梁3呈左右水平设置，横梁3的左右两端焊接固定在相邻立柱2的顶部位置；

摆球组件由钢摆球6、吊绳5以及吊环4构成，吊环4呈圆环状结构，且吊环4的外表面上一体成型有向外凸出的螺杆部；横梁3的底面中心位置开设有固定螺孔，吊环4通过螺杆部螺纹旋入至固定螺孔内；吊绳5采用尼龙丝线构成，吊绳5的上端绑接固定在吊环4上，钢摆球6上开设有一贯通式的穿线孔，吊绳5的下端穿过穿线孔并与钢摆球6之间绑接固定；此时钢摆球6自然状态下被吊绳5所吊起，通过向钢摆球6施加一定作用力使得钢摆球6实现自由摆动，从而实现钟摆实验，通过改变吊绳5的长度以及钢摆球6的质量来对钟摆实验的相应变量的改变；

影像采集装置包括用于图像采集的高速相机20以及辅助采像的遮光照明组件；

遮光照明组件分别设置在龙门架组件的前后两侧，其中遮光照明组件包括遮光罩11，遮光罩11呈空心的方筒状结构，且遮光罩11的前后端均呈开口式结构；遮光罩11的中轴线呈前后水平设置，且遮光罩11的后端口左右侧边以胶粘的形式分别固定连接两根立柱2的前端面，遮光罩11的后端口顶边以胶粘的形式固定连接横梁3的前端面；遮光罩11的底面与底板1的上表面之间平行并间隔设置；所述遮光罩11的前端开口位置活动封盖有遮光板12，遮光板12呈平板状结构，其中遮光板12的右侧边与遮光罩11的前端开口右侧边采用合页13铰接连接；此时遮光板12呈翻动式结构，因此既可以对遮光罩11的前端开口进行封盖，亦可以翻动至远离遮光罩11的前端开口的位置；所述遮光板12的内表面中心位置采用螺丝固定安装有定向光源14，且当遮光板12呈左右向竖直封盖在遮光罩11的前端开口处时，定向光源14的光线发射向呈前后水平设置；所述遮光照明组件还包括背板15，背板15与遮光罩11的后端口之间呈前后正对设置，背板15采用胶粘的形式分别固定连接立柱2以及横梁3的后表面；背板15的中心位置开设有方形的开口，开口与遮光罩11之间共轴设置；且该开口位置嵌入固定有半透明的投影板17，投影板17用于减弱光线的穿透效果，此时在定向光源14的照射作用下，由于钢摆球6的阻挡使得投影板17上可以产生对应的阴影投影，此时钢摆球6在摆动时对应的可以在投影板17上产生投影轨迹；所述投影板17的后方前后正对设置有固定板19，固定板19的前表面四角位置采用螺丝18固定有前后水平设置的调节升缩杆16，调节升缩杆16的前端采用螺丝18固定在背板15的后表面四角位置；此时固定板19与投影板17之间的前后间距可以实现有效的调节；所述固定板19的前表面中心位置采用螺栓固定有高速相机20，高速相机20的拍摄向水平朝前设置，利用高速相机20在一定的定时范围内，高速的拍摄若干张图片，此时所拍摄的图片正好是钢摆球6在投影板17上的投影效果，而高速相机20的拍摄范围可以通过固定板19的前后位置来进行调节；同时通过将图片收集处理可以获得投影轨迹，以及任意时间点钢摆球6的投影位置，以投影板17作为笛卡尔坐标系，可以很快速的获取钟摆过程中的实际实验数据，整体相应的实验准确度更高。

所述横梁3的下表面以及底板1的上表面均采用螺丝固定安装有直线导轨，直线导轨呈左右设置并上下正对设置，且直线导轨之间设有呈竖直设置的导向滑板7，导向滑板7的上下端部采用螺丝锁紧固定有滑块，滑块滑动嵌入至直线导轨内，此时导向滑板7在直线导轨的导向作用下可以实现左右滑动，且所述导向滑板7位于钢摆球6的左侧位置。

所述导向滑板7的右侧面上采用螺丝固定有平板式电磁铁8，且平板式电磁铁8的右侧面呈前后走向的竖直平面状结构，利用平板式电磁铁8的通电产生磁性可以实现对钢摆球6的点吸附，而平板式电磁铁8的断电可以快速的实现钢摆球6的脱离。

所述导向滑板7的左端面上焊接固定有呈左右水平设置的拉杆9，其中拉杆9活动穿过左侧立柱2上的导向孔，利用导向孔方便左右推拉拉杆9。

所述遮光罩11采用不透明的塑料材质制成，且遮光罩11的内表面上胶粘贴有防反光贴膜。

本发明的工作原理是：在定向光源14的照射作用下，由于钢摆球6的阻挡使得投影板17上可以产生对应的阴影投影，此时钢摆球6在摆动时对应的可以在投影板17上产生投影轨迹，利用高速相机20在一定的定时范围内，高速的拍摄若干张图片，此时所拍摄的图片正好是钢摆球6在投影板17上的投影效果，而高速相机20的拍摄范围可以通过固定板19的前后位置来进行调节；同时通过将图片收集处理可以获得投影轨迹，以及任意时间点钢摆球6的投影位置，以投影板17作为笛卡尔坐标系，可以很快速的获取钟摆过程中的实际实验数据，整体相应的实验准确度更高。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种具有记录装置的高中生钟摆实验研究设备，其特征在于，包括钟摆结构以及影像采集装置，钟摆结构由龙门架组件和摆球组件构成；

龙门架组件包括底板、两根立柱以及横梁，底板呈水平板状结构，立柱呈竖直设置，且立柱采用锁紧螺栓固定在底板的上表面左右两侧；横梁设置在立柱之间的位置，且横梁呈左右水平设置，横梁的左右两端焊接固定在相邻立柱的顶部位置；

摆球组件由钢摆球、吊绳以及吊环构成，吊环呈圆环状结构，且吊环的外表面上一体成型有向外凸出的螺杆部；横梁的底面中心位置开设有固定螺孔，吊环通过螺杆部螺纹旋入至固定螺孔内；吊绳采用尼龙丝线构成，吊绳的上端绑接固定在吊环上，钢摆球上开设有一贯通式的穿线孔，吊绳的下端穿过穿线孔并与钢摆球之间绑接固定；

影像采集装置包括用于图像采集的高速相机以及辅助采像的遮光照明组件；

遮光照明组件分别设置在龙门架组件的前后两侧，其中遮光照明组件包括遮光罩，遮光罩呈空心的方筒状结构，且遮光罩的前后端均呈开口式结构；遮光罩的中轴线呈前后水平设置，且遮光罩的后端口左右侧边以胶粘的形式分别固定连接两根立柱的前端面，遮光罩的后端口顶边以胶粘的形式固定连接横梁的前端面；遮光罩的底面与底板的上表面之间平行并间隔设置；所述遮光罩的前端开口位置活动封盖有遮光板，遮光板呈平板状结构，其中遮光板的右侧边与遮光罩的前端开口右侧边采用合页铰接连接；所述遮光板的内表面中心位置采用螺丝固定安装有定向光源，且当遮光板呈左右向竖直封盖在遮光罩的前端开口处时，定向光源的光线发射向呈前后水平设置；所述遮光照明组件还包括背板，背板与遮光罩的后端口之间呈前后正对设置，背板采用胶粘的形式分别固定连接立柱以及横梁的后表面；背板的中心位置开设有方形的开口，开口与遮光罩之间共轴设置；且该开口位置嵌入固定有半透明的投影板；所述投影板的后方前后正对设置有固定板，固定板的前表面四角位置采用螺丝固定有前后水平设置的调节升缩杆，调节升缩杆的前端采用螺丝固定在背板的后表面四角位置；所述固定板的前表面中心位置采用螺栓固定有高速相机，高速相机的拍摄向水平朝前设置。

2.根据权利要求1所述的具有记录装置的高中生钟摆实验研究设备，其特征在于，所述横梁的下表面以及底板的上表面均采用螺丝固定安装有直线导轨，直线导轨呈左右设置并上下正对设置，且直线导轨之间设有呈竖直设置的导向滑板，导向滑板的上下端部采用螺丝锁紧固定有滑块，滑块滑动嵌入至直线导轨内，且所述导向滑板位于钢摆球的左侧位置。

3.根据权利要求2所述的具有记录装置的高中生钟摆实验研究设备，其特征在于，所述导向滑板的左端面上焊接固定有呈左右水平设置的拉杆，其中拉杆活动穿过左侧立柱上的导向孔。

4.根据权利要求1所述的具有记录装置的高中生钟摆实验研究设备，其特征在于，所述遮光罩采用不透明的塑料材质制成，且遮光罩的内表面上胶粘贴有防反光贴膜。

5.根据权利要求2所述的具有记录装置的高中生钟摆实验研究设备，其特征在于，所述导向滑板的右侧面上采用螺丝固定有平板式电磁铁，且平板式电磁铁的右侧面呈前后走向的竖直平面状结构。