CN109448513A - 一种单摆演示仪 - Google Patents
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Abstract
为了在探究单摆周期与摆长的关系时更好地控制拉开的角度小于5°，本发明提供一种单摆演示仪，涉及一种物理教学实验仪器。该演示仪的摆球运动由原来的手动控制变成了电磁铁控制，使摆球以近似的零初速度释放，摆球的运动时间及来回运动次数由人工测量转为计时器自动测量，摆球摆动角度的大小和摆长的变化由改变控制杆高度来实现，使实验数据更精确，操作更简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种物理教学实验仪器，尤其涉及一种单摆演示仪。
背景技术
在高中《物理》的“探究单摆周期与摆长的关系”这一实验中，其基本实验过程是将单摆挂在铁架台上，测量改变的摆长，用手拉动摆球至5°范围内水平释放，待摆球运动稳定后开始计时，人工记录单摆通过的30个来回，根据摆球运动的时间和来回次数计算出摆球运动的周期，反复测量得出实验结论。教材上的这个实验在设计、原理、操作和学生的参与性方面都很好，但在实际教学过程中还存在几点不足：1.由于是手动拉开释放摆球，所以很难控制摆球拉开的真实角度小于5°，也难以使摆球以近似的零初速度水平释放。2.由于每次改变单摆摆长都要再次测量摆长长度，容易引起测量误差且操作过程繁杂。3.由于要人工测量时间和数摆球来回运动的次数，很容易出错。在“测量当地重力加速度”这一实验中，其基本过程也是将单摆挂在铁架台上，用手拉动摆球，使摆球的角度小于5°释放，在此实验中依旧存在难以控制摆球摆动角度小于5°和摆球以近似的零初速度水平释放的问题，很难保证摆球做简谐振动，影响实验的精准度。
发明内容
为了克服以上不足，在探究单摆周期与摆长的关系实验中更好地控制拉开的角度小于5°，本发明提供一种单摆演示仪，涉及一种物理教学实验仪器。该演示仪的摆球运动由原来的手动控制变成了电磁铁控制，使摆球以近似的零初速度释放，摆球的运动时间及来回运动次数由人工测量转为计时器自动测量，摆球摆动角度的大小和摆长的变化由改变控制杆高度来实现，使实验数据更精确，操作更简单。通过摆长和时间的测量就能快速准确地计算出结果，并能与传统的实验有机结合，更有利于实验探究教学的开展。本发明解决其技术问题的主要方案有以下几点。
1.本单摆演示仪主要由提手、支架、摆长刻度伸缩杆、控制杆、调节螺母、摆线、摆球、光电门、计时器、底座、调平螺母、摆角刻度伸缩杆、电磁铁和电磁铁开关等部分组成，其中支架的顶部有一提手，方便携带；支架右侧是摆长刻度伸缩杆，上面是分度值为0.1cm的均匀刻度，摆长刻度的零刻线与摆球自由下垂的球心等高，支架左侧是摆角刻度伸缩杆，上面有与右侧摆长相对应的摆角刻度，电磁铁通过调节螺母安装在摆角刻度伸缩杆上，与摆球位置对应，当摆长改变时，电磁铁可以通过调节螺母上下微调。
2. 演示仪上的光电门、计时器和电磁铁开关都固定在底座上，支架底座质量较大，底座上有摆幅刻度，也是分度值为0.1cm的均匀刻度，摆幅刻度的零刻线与光电门的中心线重合。
3. 演示仪上的控制杆通过调节螺母固定在支架的中部，可以沿支架上下移动，以达到轻松改变摆长和摆角的目的；摆球通过摆线穿过控制杆中心圆孔，固定在支架的顶部，用卡子卡紧，改变卡子的位置就能改变摆线的总长度。
本发明的有益效果是：在实验过程中，可以保持摆幅不变，通过直接观看支架上的示数来调节控制杆的高度，从而改变摆球的摆角大小和摆长；可以严格控制摆球的摆角在5°或10°范围内；用电磁铁控制摆球的释放可以使摆球以近似的零初速度水平释放；摆球的运动时间及来回运动次数由人工测量转为计时器自动测量。本发明既可以用来探究单摆周期与摆长的关系，又可以测量重力加速度g，还可以根据实际需要改变控制杆高度，改变摆长和摆角，甚至在大角度时将光电门调至速度档，用来探究机械能守恒定律，整个实验过程简单易操作，学生的参与性强，实验数据真实可靠。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，其中图1是本发明的结构示意图。
具体实施例
本发明提供了一种单摆演示仪，可测单摆周期、探究周期与摆长的关系、测重力加速度，亦可验证机械能守恒定律。
本发明的结构示意图如图1所示，包括提手（1）、支架（2）、摆长刻度伸缩杆（3）、控制杆中心圆孔（4）、控制杆（5）、调节螺母（6）、摆线（7）、摆球（8）、光电门（9）、摆幅刻度（10）、计时器（11）、底座（12）、调平螺母（13）、摆角刻度伸缩杆（14）、电磁铁（15）和电磁铁开关（16）等部分。其中支架（2）的顶部有一提手（1），方便携带；支架（2）右侧是摆长刻度伸缩杆（3），上面是分度值为0.1cm的均匀刻度，摆长刻度的零刻线与摆球自由下垂的球心等高；支架（2）左侧是摆角刻度伸缩杆（14），上面有与右侧摆长相对应的摆角刻度；电磁铁（15）通过调节螺母安装在摆角刻度伸缩杆（14）上，与摆球位置对应，当摆长改变时，电磁铁（15）可以通过调节螺母上下微调；光电门（9）、计时器（11）和电磁铁开关（16）都固定在底座（12）上，支架底座（12）质量较大，底座（12）上有摆幅刻度（10），也是分度值为0.1cm的均匀刻度，摆幅刻度（10）的零刻线与光电门（9）的中心线重合；控制杆（5）通过调节螺母（6）固定在支架（2）的中部，可以沿支架上下移动，以达到轻松改变摆长和摆角的目的；摆球（8）通过摆线（7）穿过控制杆中心圆孔（4），固定在支架（2）的顶部，用卡子卡紧，改变卡子的位置就能改变摆线（7）的总长度。
在本实施例中，首先，调节调平螺母（13），使摆球（8）在摆线（7）的作用下自由下垂，对准光电门（9）的中心线，并在支架（2）的顶部调节摆线（7）的长度（用卡子卡紧就行），使摆球（8）的中心与摆长刻度伸缩杆（3）的零刻线等高，然后，闭合电磁铁开关（16），旋动调节螺母（6），根据实际需要改变控制杆（5）高度，使摆球（8）贴上电磁铁（15），摆线（7）绷直，摆球（8）对准摆幅刻度（10）的10cm处，旋紧调节螺母（6），固定控制杆（5）的位置，并用卡子在控制杆中心圆孔（4）处卡紧摆线，然后打开计时器（11）及光电门（9）电路，就绪后，断开电磁铁开关（16），使摆球（8）自动离开电磁铁（15），通过光电门（9）做往复运动。记录计时器测出的摆球遮光次数N和总遮光时间t，就能计算出单摆的周期，再根据已知角度θ及对应摆长L，利用单摆公式便可测出当地重力加速度。旋动调节螺母（6），就可以根据实际需要改变控制杆（5）高度，改变摆长和摆角，进行其他相应的实验操作。
在本实施例中，附上当摆幅保持10cm不变时部分摆角θ与摆长L的对应示数参考表
| θ | 4° | 5° | 6° | 7° | 8° | 9° | 10° | 15° | 20° | 25° | 30° |
| L（cm） | 143.1 | 114.3 | 95.1 | 81.4 | 71.2 | 63.1 | 56.7 | 37.3 | 27.5 | 21.4 | 17.3 |
其中，角度小于5°的单摆运动才可以看作是标准简谐振动，小于10°的单摆运动为近似简谐振动，均可用于测单摆周期，但5°至10°仅适用于中学教学，大学探究实验中单摆角度必须小于5°，不过，验证机械能守恒定律可采用大角度。
Claims (3)
1.一种单摆演示仪，主要由提手、支架、摆长刻度伸缩杆、控制杆、调节螺母、摆线、摆球、光电门、计时器、底座、调平螺母、摆角刻度伸缩杆、电磁铁和电磁铁开关等部分组成，其特征在于所述的支架右侧是摆长刻度伸缩杆，上面是分度值为0.1cm的均匀刻度，摆长刻度的零刻线与摆球自由下垂的球心等高，支架左侧是摆角刻度伸缩杆，上面有与右侧摆长相对应的摆角刻度，电磁铁通过调节螺母安装在摆角刻度伸缩杆上，与摆球位置对应，当摆长改变时，电磁铁可以通过调节螺母上下微调。
2.根据权利要求1所述的一种单摆演示仪，其特征在于所述的光电门、计时器和电磁铁开关都固定在底座上，支架底座质量较大，底座上有摆幅刻度，也是分度值为0.1cm的均匀刻度，摆幅刻度的零刻线与光电门的中心线重合。
3.根据权利要求1所述的一种单摆演示仪，其特征在于所述的控制杆通过调节螺母固定在支架的中部，可以沿支架上下移动，以达到轻松改变摆长和摆角的目的，摆球通过摆线穿过控制杆中心圆孔，固定在支架的顶部，用卡子卡紧，改变卡子的位置就能改变摆线的总长度。
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| CN112505794A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-03-16 | 合肥工业大学 | 基于圆锥摆的智能重力加速度测量仪 |
| CN113240980A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-08-10 | 桂林电子科技大学 | 一种重力加速度测量装置及其测量方法 |
| CN113296158A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-08-24 | 湖北科技学院 | 一种利用手机感光模块测量重力加速度的方法 |
| CN113567304A (zh) * | 2021-07-23 | 2021-10-29 | 广东海洋大学 | 一种基于单摆的液体粘滞系数测量装置及方法 |
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