CN110556040A - 单摆运动演化与相图观察仪 - Google Patents

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李维
安力群
杨广武
冯志辉
霍光耀
江越
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Tianjin University
Tianjin Normal University
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Abstract

本发明涉及演示仪器设备技术领域，尤其涉及一种单摆运动演化与相图观察仪，包括PASCO数字化采集系统、转动传感器、底座、电机、减速机、连杆、导轨、移动座、支架、轻质摆杆、摆球以及翼形空气阻尼器；所述电机和减速机分别固定在所述底座上，所述电机的输出端与所述减速机的输入端连接，所述连杆的一端与所述偏心轮的盘面铰接，所述连杆的另一端与所述移动座的一侧铰接；所述支架固定在所述移动座上，所述轻质摆杆的顶部与所述支架的上部铰接，所述转动传感器固定在所轻质摆杆上；所述翼形空气阻尼器固定在所述摆球上。本装置加深了高中学生对混沌产生与演化机理的认识，进一步揭示“结构简单的单摆，运动并不简单”的奥秘。

Description

单摆运动演化与相图观察仪
技术领域
本发明涉及演示仪器设备技术领域，尤其涉及一种单摆运动演化与相图观察仪。
背景技术
近年来非线性科学的研究使得非线性现象得到了普遍的理解和认识，各种非线性实验装置也应运而生。但是由于非线性系统的复杂性和多元性，使得非线性实验仪器发展受到很大的限止。在非线性科学中最重要的分支和最典型的现象之一就是混沌现象，它是由确定性方程描述的简单系统，但产生的结果则是极为复杂的、貌似随机的无规则运动现象，这种现象主要表现在非线性系统产生的结果依赖于初始条件的敏感性。目前用于观察混沌现象的实验装置，多数都不同程度地存在混沌现象不直观、定量研究过于简单和可操作性不强等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种单摆运动演化与相图观察仪。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种单摆运动演化与相图观察仪，其特征在于：包括PASCO数字化采集系统、转动传感器、底座、电机、减速机、连杆、导轨、移动座、支架、轻质摆杆、摆球以及翼形空气阻尼器；所述电机和减速机分别固定在所述底座上，所述电机的输出端与所述减速机的输入端连接，所述减速机的输出端连接有偏心轮，所述连杆的一端与所述偏心轮的盘面铰接，所述连杆的另一端与所述移动座的一侧铰接，所述移动座的底部与所述导轨滑动配合，所述导轨固定在所述底座上；所述支架固定在所述移动座上，所述轻质摆杆的顶部与所述支架的上部铰接，所述转动传感器固定在所轻质摆杆上，PASCO数字化采集系统通过所述转动传感器采集轻质摆杆的角位置—角速度运动状态并在计算机DataStudio界面显示相图；所述摆球固定在所述轻质摆杆的底部，所述翼形空气阻尼器固定在所述摆球上。
优选地，所述底座的外部设有透明防护罩。
优选地，所述支架为两个，对称设置在所述移动座上，两个支架的上部连接有一根铰轴，所述轻质摆杆为两根，上部分别与所述铰轴铰接，两根轻质摆杆的下部通过一根连接杆连接，所述摆球固定在所述连接杆的下部中心。
优选地，所述移动座的左侧中心开有凹槽，连杆的另一端通过铰轴与凹槽的内壁铰接。
本发明的有益效果是:相对于现有技术，本装置利用现有的PASCO数字化采集系统采集单摆的角位置-角速度运动状态并显示相图，通过相图实时显示单摆系统在无阻尼无驱动、有阻尼无驱动以及有阻尼有驱动三种情形下的运动演化规律。加深了高中学生对混沌产生与演化机理的认识，进一步揭示“结构简单的单摆，运动并不简单”的奥秘。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明移动座和支架的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1和图2所示，一种单摆运动演化与相图观察仪，包括PASCO数字化采集系统、转动传感器1、底座2、电机3、减速机4、连杆5、导轨6、移动座7、支架8、轻质摆杆9、摆球10以及翼形空气阻尼器11；采用本实验室已有的美国PASCO数字化采集系统真实采集数据，实时生成相图，PASCO数字化采集系统是一个将计算机数据采集与分析应用于物理实验的系统，运用现代电子技术，采用传感器进行数据采集，电脑进行过程控制和数据处理，尤其是对一些瞬态变化的物理量能做到实时测量，对一些不易观察的物理现象能实现感官展示。根据PASCO实验平台实验附件可组装性强的特征进行新的实验设计与设备研究，实现PASCO实验平台的设计性应用与扩展研究。
为了使摆球能够摆动，所述电机和减速机分别固定在所述底座上，所述电机的输出端与所述减速机的输入端连接，所述减速机的输出端连接有偏心轮12，输出端固定在偏心轮的中部，所述连杆的一端与所述偏心轮的盘面铰接，也就是偏心轮的盘面侧部偏心位置，这样当偏心轮转动时可以带动连杆往复的移动，所述连杆的另一端与所述移动座的一侧铰接，所述移动座的底部与所述导轨滑动配合，所述导轨固定在所述底座上，电机带动减速机转动，减速机带动偏心轮转动，利用偏心轮带动连杆往复移动，从而带动移动座在导轨上往复移动，所述支架固定在所述移动座上，所述轻质摆杆的顶部与所述支架的上部铰接，所述转动传感器固定在所轻质摆杆上，PASCO数字化采集系统通过所述转动传感器采集轻质摆杆的角位置—角速度运动状态并在计算机DataStud i o界面显示相图；所述摆球固定在所述轻质摆杆的底部，所述翼形空气阻尼器固定在所述摆球上。翼形空气阻尼器的结构就类似一对翅膀，其原理跟飞机降落后减速机翼的原理一样，翼形空气阻尼器可改变单摆系统的阻尼运动状态，驱动电机可改变单摆系统的受迫运动状态。
为了对本装置进行防护，所述底座的外部设有透明防护罩。
本装置采用双摆杆的结构，采用单摆杆容易跑偏，避免成为圆锥摆的情况，为此，所述支架为两个，对称设置在所述移动座上，两个支架的上部连接有一根铰轴13，所述轻质摆杆为两根，上部分别与所述铰轴铰接，两根轻质摆杆的下部通过一根连接杆14连接，所述摆球固定在所述连接杆的下部中心。
为了节省空间，本装置中，所述移动座的左侧中心开有凹槽15，连杆的另一端通过铰轴与凹槽的内壁铰接。
利用PASCO系统的转动传感器可直接测出角位置—角速度运动状态并在计算机DataStud i o界面显示相图。通过相图实时显示单摆系统在无阻尼无驱动、有阻尼无驱动以及有阻尼有驱动三种情形下的运动演化规律。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种单摆运动演化与相图观察仪，其特征在于：包括PASCO数字化采集系统、转动传感器、底座、电机、减速机、连杆、导轨、移动座、支架、轻质摆杆、摆球以及翼形空气阻尼器；所述电机和减速机分别固定在所述底座上，所述电机的输出端与所述减速机的输入端连接，所述减速机的输出端连接有偏心轮，所述连杆的一端与所述偏心轮的盘面铰接，所述连杆的另一端与所述移动座的一侧铰接，所述移动座的底部与所述导轨滑动配合，所述导轨固定在所述底座上；所述支架固定在所述移动座上，所述轻质摆杆的顶部与所述支架的上部铰接，所述转动传感器固定在所轻质摆杆上，PASCO数字化采集系统通过所述转动传感器采集轻质摆杆的角位置—角速度运动状态并在计算机DataStudio界面显示相图；所述摆球固定在所述轻质摆杆的底部，所述翼形空气阻尼器固定在所述摆球上。
2.根据权利要求1所述的单摆运动演化与相图观察仪，其特征在于：所述底座的外部设有透明防护罩。
3.根据权利要求1所述的单摆运动演化与相图观察仪，其特征在于：所述支架为两个，对称设置在所述移动座上，两个支架的上部连接有一根铰轴，所述轻质摆杆为两根，上部分别与所述铰轴铰接，两根轻质摆杆的下部通过一根连接杆连接，所述摆球固定在所述连接杆的下部中心。
4.根据权利要求1所述的单摆运动演化与相图观察仪，其特征在于：所述移动座的左侧中心开有凹槽，连杆的另一端通过铰轴与凹槽的内壁铰接。
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