CN110322761B - 一种大学物理实验多功能仪器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大学物理实验多功能仪器装置，包括底座、支架、玻璃管、第一感应器、第二感应器、主控器以及真空泵，所述支架竖直固定在所述底座上表面，所述支架上固定安装有固定管夹，所述玻璃管通过所述固定管夹固定于所述底座上方，所述玻璃管内侧上端固定安装有小球释放装置，所述玻璃管下端密封连接有收集盒，所述第一感应器和所述第二感应器分别设置于所述玻璃管外观壁不同高度上且均可上下移动；所述小球释放装置包括壳体、拨片、储放模块以及电机，所述壳体下表面开有释放孔，所述拨片表面开设有置物孔，所述储放模块内开设有小球储放槽。本发明操作简单，可有效节省实验时间，并可准确进行实验。

Description

一种大学物理实验多功能仪器装置
技术领域
本发明涉及物理实验器具，具体为一种大学物理实验多功能仪器装置。
背景技术
自由落体法测量重力加速度实验目前是大学本科物理学科的基础实验之一，是当前大学物理实验中必不可少的部分。它是通过物体自由落体法下落探测自由落体重力加速度g的大小，目前在大学物理学科的教学和科学研究中占据着重要的地位。
目前现有的重力加速度测量仪通常采用圆筒玻璃管以及设置在圆筒外侧的光电门进行实验，在实验过程中需要抽掉圆筒玻璃管内的空气，以使测量更加准确。在实验进行时，通过释放玻璃管上端的钢球，来完成整个实验的测量，实验数据往往需要进行多组测量，这时就需要进行多次圆玻璃管倒置来使钢球归位，操作较为繁琐，而且倒置后钢球通过电磁铁吸附的位置不固定，会出现再次测量时钢球偏离测量路径的情况，从而导致实验失败，需要再次测量，极大的浪费了实验时的时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大学物理实验多功能仪器装置，本装置可一次进行多组实验数据的测量，简化了实验操作；既可进行重力加速度的测量，同时也可进行能力守恒定律的验证。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种大学物理实验多功能仪器装置，包括底座、支架、玻璃管、第一感应器、第二感应器、主控器以及真空泵，所述支架竖直固定在所述底座上表面，所述支架上固定安装有固定管夹，所述玻璃管通过所述固定管夹固定于所述底座上方，所述玻璃管上端设置有密封盖，所述玻璃管内侧上端固定安装有小球释放装置，所述玻璃管下端密封连接有收集盒，所述第一感应器和所述第二感应器分别设置于所述玻璃管外观壁不同高度上且均可上下移动；所述小球释放装置包括壳体、拨片、储放模块以及电机，所述壳体下表面开有释放孔，所述拨片表面开设有置物孔，所述储放模块内开设有小球储放槽，所述电机固定安装于所述储放模块的中间位置，所述电机的输出端和所述拨片固定连接；所述收集盒侧壁设置有单向排气阀和进气阀，所述真空泵通过导气管和所述单向排气阀连接；所述主控器和所述第一感应器、所述第二感应器、所述真空泵以及所述电机电性连接。
优选的，所述固定管夹的数量为2个，且两个所述固定管夹左端固定安装于所述支架上，两个所述固定管夹右端固定安装有滑杆，所述第一感应器和所述第二感应器通过滑套安装于所述滑杆上。
优选的，所述壳体下表面的释放孔的数量为1个，所述拨片为圆形，且其表面开设有4个置物孔，所述拨片的厚度大于所述置物孔的直径，所述储放模块内开设的小球储放槽的数量为3个；4个所述置物孔之间的夹角均为90°，且其中3个所述置物孔和3个所述小球储放槽同轴设置，另外一个所述置物孔和所述释放孔同轴设置。
优选的，所述置物孔的直径大于所述小球储放槽的直径，所述释放孔的直径不小于所述置物孔的直径，且所述释放孔上端开呈环形坡面结构。
优选的，所述拨片为圆形，且其表面开设有4个置物孔，每两个所述置物孔之间均开有斜槽，所述斜槽在顺时针方向上呈前端高后端低的结构。
优选的，所述收集盒右端设置有收集盒盖，所述收集盒盖通过固定卡紧固，所述收集盒盖内表面设置有密封垫，以增强收集盒的密封性；所述收集盒内部设置有缓冲网，可有效对小球进行缓冲，防止小球砸坏收集盒。
优选的，所述玻璃管表面标有高度刻度线，便于测量两个感应器之间的高度差。
优选的，所述底座下表面设置有可调节支腿，所述底座上表面固定安装有水平仪，可将底座调平，有效避免因玻璃管不垂直而产生实验误差。
优选的，所述主控器表面安装有显示屏，所述显示屏下侧设置有电源开关、抽气开关以及释放开关，所述主控器内部设置有单片机，单片机可精确测量两个感应器的时间差，并精确控制电机的旋转角度。
优选的，所述密封盖上开有过线孔，线路贯穿所述过线孔，所述线路和所述过线孔之间通过密封胶进行封堵。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过设置第一感应器、第二感应器、主控器以及真空泵，可以通过真空泵抽空玻璃管内的空气，有效营造真空环境，消除空气阻力对实验的影响，有利于测量更精确的数值；通过第一感应器、第二感应器以及主控器，可以精确测量出小球经过两个感应器的时间，测量结果既精确又便捷，可有效提高实验精确度以及节省实验时间。
2、本发明通过设置小球释放装置，可以在一次实验中完成多组实验数据的测量，操作简单便捷，避免了多次重复复位小球；通过对拨片结构进行优化改进，可以有效防止小球在转动中卡滞，极大的改善了实验装置的使用感受。综上可有效节省实验的操作时间，并可避免小球偏离测量路径，减少实验中的失误次数，提高了实验效率。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的玻璃管及收集盒的主视剖面图。
图3为本发明实施例一的小球释放装置的零件构成图。
图4为本发明实施例一的小球释放装置的主视剖面图。
图5为本发明实施例的电路连接图。
图6为本发明实施例二的小球释放装置的拨片机构图。
图中：1底座、11可调节支腿、12水平仪、2支架、21固定管夹、22滑杆、3玻璃管、31密封盖、32过线孔、33高度刻度线、4小球释放装置、41壳体、411释放孔、42拨片、421置物孔、422斜槽、43储放模块、431小球储放槽、44电机、5收集盒、51单向排气阀、52进气阀、53收集盒盖、54固定卡、55缓冲网、61第一感应器、62第二感应器、7主控器、71显示屏、72电源开关、73抽气开关、74释放开关。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上表面”、“下表面”、“左端”、“右端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分元件，而不是指示或暗示必须具有特定的次序，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一：
参阅图1-5，一种大学物理实验多功能仪器装置，包括底座1、支架2、玻璃管3、第一感应器61、第二感应器62、主控器7以及真空泵8。底座1的下表面设置有四个可调节支腿11，其上表面固定安装有水平仪12，可通过调节可调节支腿11来使底座1保持水平，有效消除实验误差；支架2竖直固定在底座1上表面，支架2上固定安装有两个固定管夹21，且两个固定管夹21的左端均固定安装在支架2上，在两个固定管夹21的右端固定安装有滑杆22，玻璃管3通过两个固定管夹21固定安装在底座1的上方。
玻璃管3的上端设置有密封盖31，密封盖31上开有过线孔32，线路贯穿过线孔32后再用密封胶将缝隙进行封堵，以保证玻璃管3内的密封性。玻璃管3内侧上端固定安装有小球释放装置4，玻璃管3下端密封连接有收集盒5，玻璃管3的表面标有高度刻度线33，第一感应器61和第二感应器62通过滑套安装在滑杆22的不同高度上，两个感应器的感应端贴紧玻璃管3的管壁，两个感应器可沿滑杆22上下移动，通过玻璃管3表面的高度刻度线33可以量出两个感应器之间的高度差。
小球释放装置4包括壳体41、拨片42、储放模块43以及电机44，壳体41下表面开有一个释放孔411；拨片42为圆形，且其表面开设有四个置物孔421，其中拨片42的厚度大于置物孔421的直径；储放模块43内开设有三个小球储放槽431，电机44固定安装于储放模块43的中间位置，电机44的输出端和拨片42固定连接；四个置物孔421之间的夹角为90°，其中三个置物孔421和三个小球储放槽431同轴设置，另外一个置物孔421与释放孔411同轴设置。置物孔421的直径比小球储放槽431的直径大6mm，可以增加拨片42和储放模块43的契合度，即使拨片42在转动中产生误差，也可使小球顺利落入置物孔421中，避免了出现孔位错位卡滞的情况。释放孔411的直径和置物孔421的直径相等，且释放孔411的上端设置为环形的斜坡面结构，可以便于小球通过斜面滚入释放孔中，避免拨片42和释放孔411之间产生错位卡滞。
收集盒5的左侧壁设置有单向排气阀51和进气阀52，右侧壁设置有收集盒盖53，收集盒盖53通过固定卡54固定在收集盒5的右端，并且在收集盒盖53的内表面设置有密封垫，通过固定卡54压紧收集盒盖53后，密封垫可保证收集盒5内的密封性。在收集盒5的内部设置有缓冲网55，可以有效缓冲小球坠落时对收集盒5的冲击力，避免收集盒5损坏。
主控器7和第一感应器61、第二感应器62、真空泵8以及电机44电性连接。主控器7的表面安装有显示屏71，在显示屏71的下侧设置有电源开关72、抽气开关73以及释放开关74，主控器7的内部安装有单片机，通过单片机可以精确测量两个感应器的时间差，并精确控制电机的旋转角度。真空泵8通过导气管和单向排气阀51连接，通过抽气开关73可以控制真空泵8运转以抽出玻璃管3内的空气，制造真空实验环境。
实施例二：
参阅图6所示，本实施例和实施例一的区别在于，小球释放装置4包括壳体41、拨片42、储放模块43以及电机44，壳体41下表面开有一个释放孔411；拨片42为圆形，且其表面开设有四个置物孔421，其中拨片42的厚度大于置物孔421的直径；储放模块43内开设有三个小球储放槽431，电机44固定安装于储放模块43的中间位置，电机44的输出端和拨片42固定连接；四个置物孔421之间的夹角为90°，其中三个置物孔421和三个小球储放槽431同轴设置，另外一个置物孔421与释放孔411同轴设置。拨片42的每两个置物孔421之间均开有斜槽422，斜槽422在顺时针方向上呈前端高后端低的结构，当拨片42转动时，小球储放槽431中小球会在重力作用下随斜槽422的转动逐渐下降，同时会有一个沿斜面的滚动趋势，当到达斜槽422后端的置物孔421时，小球即可顺势滚入置物孔421中，从而可以有效避免出现置物孔421和小球储放槽431错位，导致小球卡滞不能进入置物孔421情况的发生。因此使实验进行的更流畅，有效节约了实验时间，提高了实验效率，增强了实验的效果。
在进行重力加速度的测量实验时：
将多个小球放入小球释放装置4的三个小球储放槽431中，最下端的小球会落入和小球储放槽431对应的置物孔421中，再确保密封盖31、收集盒盖53密闭，然后启动电源开关72，此时实验装置通电；然后按下抽气开关73，此时真空泵8开始工作，将玻璃管3内的空气排出，直至压差达到阈值，此时玻璃管3内的环境可近似认为是真空状态。之后按下释放开关74，此时单片机会控制电机44转动90°，电机44带动拨片42旋转90°，此时四个置物孔421会依次旋转90°，并带动其中的小球转动，当其中一个置物孔421转到和释放孔411对应的位置时，小球会从释放孔411中坠落，并依次通过第一感应器61和第二感应器62的探测路径。当经过第一感应器61时，单片机开始计时，当通过第二感应器62时，单片机62结束计时，并将计时结果t显示在显示屏71上，多次测量几组数据，求出平均值T1。再通过玻璃管3表面的高度刻度线33可以读出两个感应器之间的距离H1。之后将第二感应器62向下移动，读出之间的距离H2，在测量多组下落时间，求出平均值T2，然后根据公式H1＝VAT1+1/2gT1 2以及H2＝VAT2+1/2gT2 2可得，
VA＝H1/T1-1/2gT1＝H2/T2-1/2gT2 由此等式可得，
g＝2(H1/T1-H2/T2)/(T1-T2)
根据已知数值H1,H2,T1,T2,可计算出重力加速度g的数值。
在进行能量守恒定律验证实验时：
根据公式H1＝VAT1+1/2gT1 2
可计算得出VA的数值，然后根据VB＝VA+gT1，可分别得出VA和VB
然后可根据高度刻度值读出第一感应器61的高度值HA,第二感应器62的高度值HB
然后带入公式mgHA+1/2mVA 2＝mgHB+1-2mVB 2
即可验证在小球下降过程中，重力势能和动力势能的和不变，即验证了能力守恒定律。
进一步说明，上述固定连接和固定安装，除非另有明确的规定和限定，否则应做广义理解，例如，可以是焊接，也可以是胶合，或者一体成型设置等本领域技术人员熟知的惯用手段。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大学物理实验多功能仪器装置，其特征在于：包括底座、支架、玻璃管、第一感应器、第二感应器、主控器以及真空泵，所述支架竖直固定在所述底座上表面，所述支架上固定安装有固定管夹，所述玻璃管通过所述固定管夹固定于所述底座上方，所述玻璃管上端设置有密封盖，所述玻璃管内侧上端固定安装有小球释放装置，所述玻璃管下端密封连接有收集盒，所述第一感应器和所述第二感应器分别设置于所述玻璃管外观壁不同高度上且均可上下移动；所述小球释放装置包括壳体、拨片、储放模块以及电机，所述壳体下表面开有释放孔，所述拨片表面开设有置物孔，所述储放模块内开设有小球储放槽，所述电机固定安装于所述储放模块的中间位置，所述电机的输出端和所述拨片固定连接；所述收集盒侧壁设置有单向排气阀和进气阀，所述真空泵通过导气管和所述单向排气阀连接；所述主控器和所述第一感应器、所述第二感应器、所述真空泵以及所述电机电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种大学物理实验多功能仪器装置，其特征在于：所述固定管夹的数量为2个，且两个所述固定管夹左端固定安装于所述支架上，两个所述固定管夹右端固定安装有滑杆，所述第一感应器和所述第二感应器通过滑套安装于所述滑杆上。
3.根据权利要求1所述的一种大学物理实验多功能仪器装置，其特征在于：所述壳体下表面的释放孔的数量为1个，所述拨片为圆形，且其表面开设有4个置物孔，所述拨片的厚度大于所述置物孔的直径，所述储放模块内开设的小球储放槽的数量为3个；4个所述置物孔之间的夹角均为90°，且其中3个所述置物孔和3个所述小球储放槽同轴设置，另外一个所述置物孔和所述释放孔同轴设置， 所述释放孔、所述置物孔大于所述小球储放槽的直径相同。
4.根据权利要求3所述的一种大学物理实验多功能仪器装置，其特征在于：所述置物孔的直径大于所述小球储放槽的直径，所述释放孔的直径不小于所述置物孔的直径，且所述释放孔上端开呈环形坡面结构。
5.根据权利要求3所述的一种大学物理实验多功能仪器装置，其特征在于：所述拨片为圆形，且其表面开设有4个置物孔，每两个所述置物孔之间均开有斜槽，所述斜槽在顺时针方向上呈前端高后端低的结构。
6.根据权利要求1所述的一种大学物理实验多功能仪器装置，其特征在于：所述收集盒右端设置有收集盒盖，所述收集盒盖通过固定卡紧固，所述收集盒盖内表面设置有密封垫，所述收集盒内部设置有缓冲网。
7.根据权利要求1所述的一种大学物理实验多功能仪器装置，其特征在于：所述玻璃管表面标有高度刻度线。
8.根据权利要求1所述的一种大学物理实验多功能仪器装置，其特征在于：所述底座下表面设置有可调节支腿，所述底座上表面固定安装有水平仪。
9.根据权利要求1所述的一种大学物理实验多功能仪器装置，其特征在于：所述主控器表面安装有显示屏，所述显示屏下侧设置有电源开关、抽气开关以及释放开关，所述主控器内部设置有单片机。
10.根据权利要求1所述的一种大学物理实验多功能仪器装置，其特征在于：所述密封盖上开有过线孔，线路贯穿所述过线孔，所述线路和所述过线孔之间通过密封胶进行封堵。
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