CN202373212U - 利用单摆测量重力加速度的教学实验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种利用单摆测量重力加速度的教学实验仪，它主要由安装于基座板上的测量控制器、测量摆槽、摆柱挂架、调节手轮、导线轮、挂线支座、摆线和铁质摆球构成，测量摆槽壁体上配装有连接于测量控制器系统的激光发射器、接收器和电磁铁，当测量控制器使电磁铁失电时，铁质摆球会在重力作用下自然起摆进入正常摆动状态，对防止摆球出现“锥形摆”现象有明显效果，它利用数字技术能自动地进行测量、记录、运算和显示实验结果，这对保证测量数据准确性和提高实验教学质量都有一定作用，本实用新型具有结构简捷、生产成本低、操作使用方便、测量快速准确和教学实验效果好的突出优点，特别适合在中学物理实验中推广使用。

Description

利用单摆测量重力加速度的教学实验仪

技术领域

本实用新型涉及用于中学物理实验的教具，更具体地说是一种利用单摆测量重力加速度的教学实验仪。 

背景技术

在初中和高中阶段的物理教学课程中，同学们普遍感觉“重力加速度”是一个较难理解的力学概念，多年教学实践经验认为：在理论学习的同时配合开展一些实验课程是一种很好的教学方式，老师在实验教学活动中能够生动地演绎“重力加速度”的力学现象，将深奥的物理原理通过有趣的实验活动直观地展现于同学们面前，能有效地增强对“重力加速度”概念的理解能力进而达到提高教学质量的目的。目前，在初中或高中学校中最常使用的教具是在一根细长玻璃管内放置不同密度的小物块，将玻璃管快速倒置时，就可观察到小物块在下落时逐渐加速的运动过程；还有的是采用单摆仪来进行测量重力加速度的实验，它需要采用秒表计时、数记单摆的摆动次数并代入公式进行演算，在实际操作中极易出错，导致测得的重力加速度值有很大的误差，这将严重影响实验的教学效果。近来，众多教学科研人员一直都在对实验教具进行改革创新的探索工作，例如：中国专利ZL02219720.5就公开了一种名称为“用单摆测定重力加速度的实验仪”，它是由发条、装有指针的棘轮轴、棘爪轴和安装于棘爪轴的摆线挂杆组成，将摆线挂上挂杆使其摆动时，摆线每摆动一次都会通过三级变速齿轮的棘轮、棘爪机构使指针移动一格记录摆动次数，这对简化实验操作、提高实验数据的准确性和改善实验的教学效果有一定作用。但是，它在实际教学中仍存在一些使用缺陷，其表现为：1.记录摆次的传动结构复杂，机械传动的摩擦阻力会影响测量的准确度；2.用发条作动力进行起摆时，摆体容易产生“锥形摆”现象，这将严重影响实验的教学效果。 

实用新型内容

本实用新型的目的旨在提出一种利用单摆测量重力加速度的教学实验仪，它一是利用电磁铁失电使铁质摆球自动起摆，能有效防止摆球在摆动过程中出现“锥形摆”现象；二是利用先进的数字技术自动测量、计算并显示结果，这对确保实验数据的准确性、提高实验教学质量都具有明显效果。 

本实用新型的目的是通过如下技术方案来实现的： 

本实用新型所提出的利用单摆测量重力加速度的教学实验仪,它包括安装于基座板上的测量控制器、测量摆槽、摆柱挂架、挂装于摆柱挂架的摆线和铁质摆球，其特征在于：在测量摆槽的两侧内壁分别配装有激光发射器、接收器，激光发射器和接收器由多股信号电缆连接于测量控制器，在测量摆槽的端壁上安装有电磁铁，所说的电磁铁由导线连接于测量控制器。

本实用新型还有如下的技术特征： 

所说的测量控制器由中央处理器、键盘、显示屏、电源模块、摆长测量模块和周期测量模块构成。

在摆柱挂架上安装有调节手轮，摆线的上端绕装于调节手轮，特别方便于调节摆线长度的操作。 

在测量摆槽的内侧壁面设置有荧光显示的高度标识和摆角标识，方便于观察并调控摆角和摆线长度。 

本实用新型是按照如下方式进行工作的：它是预先在中央处理器中编程存入如下重力加速度的计算公式：    

       g = 4L[π/T]²                      式⑴

g_平均 = [g₁+g₂+      +g_n]/n  式⑵

式中：g为重力加速度（m/s²）；L为摆长（m）；

T为单摆周期（s）；     n为测量周期的次数。

当需要进行实验时，先转动调节手轮放下摆线并使铁质摆球位于测量摆槽内的适中位置，插上电源插头、开机进行初始化后电磁铁通电，将铁质摆球缓缓移近通电的电磁铁端部并使其被电磁铁吸于一侧，通过键盘输入设定所要测量周期的次数（n）、测量的摆长（L）值后，即可输入启摆命令使电磁铁失电，铁质摆球将在重力作用下开始启摆进入正常摆动的运动状态，配装于测量摆槽两侧内壁的激光发射器、接收器将捕捉铁质摆球的质心位置并经摆长测量模块运算处理修正摆长（L）值，并由周期测量模块自动记录测量周期的次数（n）和周期（T），当铁质摆球正常摆动次数达到所设定“测量周期的次数（n）”时，即可由中央处理器进行运算处理并在显示屏上显示：设定测量周期的次数（n）、摆长、周期（T）和重力加速度（g）等实验测量数据信息。 

本实用新型具有如下优点： 

本实用新型巧妙地利用电磁铁失电使铁质摆球在重力作用下自然起摆很快进入正常摆动的运动状态，能有效地防止摆球在摆动过程中出现“锥形摆”现象，并利用先进的智能数字技术自动进行测量、记录、运算和显示的实验操作，这对保证测量数据准确性和提高实验课程的教学质量有明显效果，具有结构简捷、制造容易、生产成本低、操作使用方便、测量快速、数据准确和教学实验直观性能好的突出优点。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图，同时也作摘要附图。 

图2是图1的A—A视图，展示在测量摆槽端壁上安装电磁铁的结构示意图。 

图3是图2的B—B视图，展示在测量摆槽两侧内壁配装激光发射器、接收器的结构示意图。 

图4是本实用新型工作原理的测量模块框图。 

附图中的标记说明： 1为摆线，2为挂线支座， 3为导线轮，4为调节手轮， 5为摆柱挂架，6为测量摆槽，7为基座板，8为铁质摆球，9为多股信号电缆，10为测量控制器，11为中央处理器，12为显示屏，13为电源插头，14为键盘，15为实验工作台，16为导线，17为电磁铁，18为摆角标识，19为双向箭头，20为高度标识，21为接收器，22为激光发射器。 

具体实施方式：

下面结合附图给出本实用新型的实施例：

一种利用单摆测量重力加速度的教学实验仪,它主要由安装于基座板7上的测量控制器10、测量摆槽6、摆柱挂架5、设置于摆柱挂架5的调节手轮4、导线轮3、挂线支座2、摆线1和铁质摆球8构成，摆线1的上端依次经过挂线支座2、导线轮3绕装于调节手轮4，拴挂于摆线1下端的铁质摆球8悬挂于测量摆槽6的正上方中间位置，并能使铁质摆球8如双向箭头19所示在测量摆槽6内自由摆动，要求铁质摆球8的质心距挂线支座2的挂线支点距离即摆长为80~120cm，在测量摆槽6的内侧壁面设置有荧光显示的高度标识20和摆角标识18，在测量摆槽6两侧内壁分别配装有用多股信号电缆9连接于测量控制器10的激光发射器22、接收器21，在测量摆槽6的端壁上安装有用导线16连接于测量控制器10的电磁铁17，所说测量控制器10的系统包括中央处理器11、键盘14、显示屏12、电源模块、摆长测量模块和周期测量模块。它是这样进行测量重力加速度实验操作的：将本实用新型的基座板7放置于实验工作台15上，缓缓地转动调节手轮4放下拴挂铁质摆球8的摆线1，使铁质摆球8下降并位于测量摆槽6内的适中位置，插上电源插头13、开机进行系统初始化，当测量控制器10系统运行正常后会自动接通电磁铁17线圈电路，再将铁质摆球8缓缓地移近电磁铁17的端面，这时，通电的电磁铁17所产生的电磁吸力会将铁质摆球8稳稳地吸住，可方便地观察摆角标识18并调节控制摆角为4~8o即可，再操作键盘14输入设定实验所需要测量周期的次数（n）、测量的摆长（L）值，上述工作准备完毕后，即可输入启摆命令，测量控制器10系统会自动断开电磁铁17线圈电路，由于电磁铁17断电后会失去对铁质摆球8的电磁吸力，铁质摆球8将在重力作用下开始自然启摆并在测量摆槽6内呈正常摆动的运动状态，这时，配装于测量摆槽6两侧内壁的激光发射器22、接收器21将会精确地捕捉铁质摆球8的质心位置并经摆长测量模块运算处理自行修正摆长（L）值，周期测量模块将准确地记录测量周期的次数（n）和周期（T），当铁质摆球8的摆动次数达到实验所设定“测量周期的次数（n）”时，即可由中央处理器11自动进行运算并在显示屏12上快速显示出所测量重力加速度（g）的实验结果数据。实验完毕后，只需反向转动调节手轮4将铁质摆球8提升至挂线支座2处归位即可。

Claims (4)

1.一种利用单摆测量重力加速度的教学实验仪,它包括安装于基座板（7）上的测量控制器（10）、测量摆槽（6）、摆柱挂架（5）、挂装于摆柱挂架（5）的摆线（1）和铁质摆球（8），其特征在于：在测量摆槽（6）的两侧内壁分别配装有激光发射器（22）、接收器（21），激光发射器（22）和接收器（21）由多股信号电缆（9）连接于测量控制器（10），在测量摆槽（6）的端壁上安装有电磁铁（17），所说的电磁铁（17）由导线（16）连接于测量控制器（10）。

2.根据权利要求1所述的利用单摆测量重力加速度的教学实验仪,其特征在于：所说的测量控制器（10）由中央处理器（11）、键盘（14）、显示屏（12）、电源模块、摆长测量模块和周期测量模块构成。

3.根据权利要求1或2所述的利用单摆测量重力加速度的教学实验仪,其特征在于：在摆柱挂架（5）上安装有调节手轮（4），摆线（1）的上端绕装于调节手轮（4）。

4.根据权利要求1或2所述的利用单摆测量重力加速度的教学实验仪,其特征在于：在测量摆槽（6）的内侧壁面设置有荧光显示的高度标识（20）和摆角标识（18）。

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