CN201126660Y - 研究单摆/复摆的大角度、非线性运动特性的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种研究单摆/复摆的大角度、非线性运动特性的实验装置，它包括底板及安装于其上的通过连接杆相连的两立柱。两立柱上各安装有滑座A、滑座B，滑座A上安装有轴，轴、带有锁紧镙钉的回转盘、刻度盘同轴安装，回转盘上安装有带有指针的安装杆，指针指向刻度盘。滑座B上安装有顶尖，顶尖和轴分别顶住摆杆座的两侧。连接于轴上的单摆摆线的下端头、连接于摆杆座上的复摆摆杆的两端头安装有挡光杆。安装杆的下端通过锁紧镙钉安装有安装座，安装座上安装有与挡光杆的位置相对应的激光管光电门。本实用新型可将光电门的位置最大调整到90度，实现大角度非线性测量，揭示单/复摆装置的非线性运动的本质，大大拓展了实验内容。

Description

研究单摆/复摆的大角度、非线性运动特性的实验装置

技术领域

本实用新型属于物理实验教学设备，尤其涉及一种研究单摆/复摆的大角度、非线性运动特性的实验装置。

背景技术

目前市面上的单摆复摆实验仪，测量的摆角都比较小。如中国专利文献03243523.1公开了一种“微电脑单摆实验仪”，它由微电脑计数、计时器，单摆组件构成。微电脑计数、计时器采用单片机芯片为主控芯片，采用外触发中断、数码显示，汇编语言编程来完成自动计数、计时显示功能，并带有计算机智能接口，可与计算机通信。这种单摆实验仪虽然计数、计时较方便，但因为微电脑计数、计时器是固定安装在支架上的，故只能实现10度以下的小角度测量，实验数据有限，实验涉及的内容仅限于线性运动的范围；而且计时器的计时分辨率一般为1ms，测量周期的精度相对较低。

发明内容

本实用新型主要解决原有单摆/复摆实验仪测量角度小，实验内容仅限于线性运动的范围，有局限性的技术问题；提供一种能大角度测量单摆/复摆的非线性摆动的实验装置，实验内容多样的单摆/复摆实验装置。

本实用新型同时解决原有单摆/复摆实验仪计时器的计时分辨率一般为1ms，测量周期的精度相对较低的技术问题；提供一种计时器的计时分辨率可达到1μs，测量周期的精度高，且能测量瞬时速度的单摆/复摆实验装置。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型包括支座及设于支座上的摆动机构，所述的支座上设有垂直方向的旋转机构，旋转机构上安装有光电门，所述的摆动机构的端头设有挡光杆，所述的光电门的位置与所述的挡光杆的位置相对应。使用时将光电门通过导线与计时器相连。转动旋转机构，光电门的位置在垂直面作弧线变动，正好在摆动机构摆动经过的路线上。当摆动机构经过光电门时，挡光杆从光电门一闪而过，光电门获得一个瞬时信号，输送给计时器，从而可测得摆动机构经过摆动路线上某一角度时的时间。旋转机构带动光电门可最大旋转90度，从而实现摆动机构的大角度测量。

作为优选，所述的旋转机构包括带有锁紧镙钉的回转盘和连接于回转盘上的光电门安装支架，所述的光电门安装于光电门安装支架上；所述的支座上连接有一根轴，所述的回转盘同轴设于所述的轴上，所述的摆动机构连接于所述的轴上。确保光电门的旋转方向与摆动机构的摆动路线一致。旋松锁紧镙钉，转动回转盘使光电门转到需要测量的角度位置，再拧紧锁紧镙钉。确保设定后，光电门的位置不会轻易改变。

作为优选，所述的轴上安装有刻度盘，所述的刻度盘位于所述的回转盘的背面，所述的光电门安装支架上设有指针，所述的指针指向所述的刻度盘。便于实验者方便地读取光电门所处的角度位置。

作为优选，所述的光电门安装支架包括安装杆、安装座，安装杆的上端与所述的回转盘相连，安装座通过锁紧镙钉安装于安装杆的下端，安装座上安装光电门；安装杆上设有指针，所述的指针指向所述的刻度盘。旋松锁紧镙钉，安装座可以沿安装杆滑动，便于调整光电门的位置高度，调好后再旋紧锁紧镙钉。

作为优选，所述的摆动机构是单摆，包括摆线及连接于摆线下端的摆球，所述的挡光杆设于摆线下端头，摆线的上端头连接于所述的轴上；所述的支座上设有滑座A，所述的轴连接于滑座A上。这时作为单摆实验仪使用。滑座A可沿支座上下滑动，便于调整摆动机构、旋转机构的支点高度。

作为优选，所述的摆动机构是复摆，包括摆杆，所述的挡光杆设于摆杆的两端头。这时可作为复摆实验仪使用。

作为优选，所述的支座包括底板和设于底板上的通过连接杆相连的两立柱，两立柱上各设有滑座A、滑座B，所述的旋转机构通过轴设于滑座A上，滑座B上设有顶尖，顶尖和轴同轴且分别顶住套设摆杆的摆杆座的两侧。滑座A、滑座B可沿两立柱上下滑动，便于改变摆杆、旋转机构的支点高度。

作为优选，所述的光电门为激光管光电门。使用时，将激光管光电门通过导线与分辨率为1微秒的高速计时器相连。使用激光作为测量光源，光线的直径非常小，且单位能量集中，大大提高了接收光敏元件的反应速度，确保高速计时器所测得的实验数据更精确。由于高速计时器的分辨率和精度足够高，故能测得摆杆在不同角度位置的挡光时间，在测得摆杆挡光宽度尺寸后，就可求得摆杆在不同角度位置的瞬时速度。将测得的一系列不同角度位置的瞬时速度值与角度值描绘于坐标系中，就可发现摆杆的运动是非线性的，在同一个角度位置，摆杆的瞬时速度慢慢衰减，最终停止摆动。测量两次挡光的时间差，就可求得摆杆的摆动周期。比较不同的周期会发现，摆杆的每个周期时间值是不相等的，证明摆杆的运动是非线性的，使摆杆的非线性测量更精确。

作为优选，所述的摆杆在小于5度的小角度摆动的情况下，也可以实现传统的小角度测量实验，如用单摆测量重力加速度g，用复摆测量转动惯量等。

本实用新型的有益效果是：与单摆/复摆的摆动支点同轴设置带有光电门的旋转机构，单摆/复摆摆动时设于其端头的挡光杆正好经过光电门，可将光电门的位置最大调整到90度的位置，实现大角度非线性测量，同时采用激光管光电门，使测量计时分辨率大大提高，确保实验数据更加精确。可以实现传统的单/复摆装置无法达到的非线性测量，揭示了单/复摆装置的非线性运动的本质，大大拓展了单/复摆实验装置的实验内容。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的一种结构示意图。

图2是本实用新型实施例2的一种结构示意图。

图中1.光电门，2.挡光杆，3.回转盘，31.锁紧镙钉，4.轴，5.刻度盘，6.安装杆，7.安装座，71.锁紧镙钉，8.指针，10.底板，11.连接杆，12.立柱，13.顶尖，14.滑座A，15.滑座B，20.摆线，21.摆球，22.摆杆，23.摆杆座。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本实施例的单摆/复摆实验装置，如图1所示，包括支座、摆动机构、旋转机构。支座包括底板10和安装于底板10上的通过连接杆11相连的两立柱12。旋转机构包括带有锁紧镙钉31的回转盘3和连接于回转盘3上的光电门安装支架，光电门安装支架包括安装杆6、安装座7，安装杆6的上端与回转盘3相连，安装座7通过锁紧镙钉71安装于安装杆6的下端，安装座7上安装光电门1。摆动机构是单摆，包括摆线20及连接于摆线20下端的摆球21，摆线20下端头安装有挡光杆2。一根立柱12上套设有滑座A14，滑座A上安装有轴4，轴4、回转盘3、刻度盘5同轴安装，刻度盘5位于回转盘3的背面，安装杆6上安装有指针8，指针8指向刻度盘5，摆线20的上端头连接于轴4上。光电门1的位置与挡光杆2的位置相对应。

本实施例可进行单摆实验。实验时通过导线将光电门和计时器相连。旋转回转盘，带动光电门旋转，可调整光电门所处的角度位置，角度值从刻度盘读取。单摆摆动时，摆线上的挡光杆经过光电门，光电门获得信号并输送给计时器，测得单摆经过该角度时的时间。回转盘带动光电门最大可旋转90度，从而实现摆动机构的大角度非线性测量。

实施例2：本实施例的单摆/复摆实验装置，如图2所示，包括支座、摆动机构、旋转机构。摆动机构是复摆，包括摆杆22，摆杆22上套装有摆杆座23，摆杆22的两端头安装有挡光杆2。支座包括安装有可调机脚的底板10和安装于底板10上的通过连接杆11相连的两立柱12，两立柱12上各安装有滑座A14、滑座B15，滑座B15上安装有顶尖13，顶尖13和安装于滑柱A14上的轴4同轴且分别顶住摆杆座23的两侧。本实施例中的光电门1采用激光管光电门。实验时通过导线将激光管光电门与精度为1微秒的高速计时器相连。确保测量反应速度很快，所测得的实验数据更精确。其余的同实施例1。

本实用新型可将光电门的位置最大调整到90度的位置，实现单摆/复摆的大角度非线性测量，以便获得更多的实验数据，拓展实验种类。同时采用激光管光电门，使测量反应速度大大提高，确保实验数据更加精确。

Claims (8)

1.一种研究单摆/复摆的大角度、非线性运动特性的实验装置，包括支座及设于支座上的摆动机构，其特征在于所述的支座上设有垂直方向的旋转机构，旋转机构上安装有光电门(1)，所述的摆动机构的端头设有挡光杆(2)，所述的光电门(1)的位置与所述的挡光杆(2)的位置相对应。

2.根据权利要求1所述的研究单摆/复摆的大角度、非线性运动特性的实验装置，其特征在于所述的旋转机构包括带有锁紧镙钉(31)的回转盘(3)和连接于回转盘(3)上的光电门安装支架，所述的光电门(1)安装于光电门安装支架上；所述的支座上连接有一根轴(4)，所述的回转盘(3)同轴设于所述的轴(4)上，所述的摆动机构连接于所述的轴(4)上。

3.根据权利要求2所述的研究单摆/复摆的大角度、非线性运动特性的实验装置，其特征在于所述的轴(4)上安装有刻度盘(5)，所述的刻度盘(5)位于所述的回转盘(3)的背面，所述的光电门安装支架上设有指针(8)，所述的指针(8)指向所述的刻度盘(5)。

4.根据权利要求2所述的研究单摆/复摆的大角度、非线性运动特性的实验装置，其特征在于所述的光电门安装支架包括安装杆(6)、安装座(7)，安装杆(6)的上端与所述的回转盘(3)相连，安装座(7)通过锁紧镙钉(71)安装于安装杆(6)的下端，安装座(7)上安装光电门(1)。

5.根据权利要求1或2所述的研究单摆/复摆的大角度、非线性运动特性的实验装置，其特征在于所述的摆动机构是单摆，包括摆线(20)及连接于摆线(20)下端的摆球(21)，所述的挡光杆(2)设于摆线(20)下端头，摆线(20)的上端头连接于所述的轴(4)上，所述的支座上设有滑座A(14)，所述的轴(4)连接于滑座A(14)上。

6.根据权利要求1或2所述的研究单摆/复摆的大角度、非线性运动特性的实验装置，其特征在于所述的摆动机构是复摆，包括摆杆(22)，所述的挡光杆(2)设于摆杆(22)的两端头。

7.根据权利要求6所述的研究单摆/复摆的大角度、非线性运动特性的实验装置，其特征在于所述的支座包括底板(10)和设于底板(10)上的通过连接杆(11)相连的两立柱(12)，两立柱(12)上各设有滑座A(14)、滑座B(15)，所述的旋转机构通过轴(4)设于滑座A(14)上，滑座B(15)上设有顶尖(13)，顶尖(13)和轴(4)同轴且分别顶住套设摆杆(22)的摆杆座(23)的两侧。

8.根据权利要求1或2所述的研究单摆/复摆的大角度、非线性运动特性的实验装置，其特征在于所述的光电门(1)为激光管光电门。

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