CN202904959U - 一种封闭式多功能的单摆实验仪器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种封闭式多功能的单摆实验仪器，包括：底座(1)、支架(3)、摆线(10)、铁质金属摆球(12)；还包括红外线传感器(2)，固定在支架(3)底端与铁质金属摆球(12)通过的最低点对齐。本实用新型增加了真空封闭系统、控制摆球角度的电磁铁、和方便计数的红外线传感器的模块，该仪器既可以可用于验证机械能守恒定律，动能定理，以及探究单摆周期与摆长，重力加速度定量关系，让实验操作简单，数据收集和处理智能化，实验结果更加精确。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种封闭式多功能的单摆实验仪器，属于实验器械技术领域。
背景技术
物理是一门以实验为基础的科学，实验是中学物理教学中不可缺少的部分。注重科学探究是物理新课程标准理念之一，实验探究作为科学探究的主要方式，直接制约着学生获得知识的过程。精确度高、操作简单的探究实验能让学生更好的掌握物理知识，对物理教学效果起着至关重要的作用。
但是现阶段中学物理教学采用的实验仪器，大多存在功能单一、精确度低等问题。如单摆实验，是机械能守恒的验证实验，具体过程是让两个身高一样的同学站在摆球两端，进行“碰鼻实验”。放开摆球后当摆球上升到另一端的最高点时，将碰到另一个同学的鼻子，从而验证摆球在摆动过程中机械能守恒。但由于空气阻力的影响，摆球振幅减小，造成小球最高点位置很难判断，实验误差大。再如验证机械能守恒定律的实验仪器。纸带与打点计时器的摩擦会影响实验精度，且需要两人以上进行操作。测量当地重力加速度，利用普通单摆仪，用秒表计时，测出单摆周期，算出加速度。但用秒表计时误差大，实验过程复杂不利于用于演示实验，且此实验内容很单一。
实用新型内容
基于以上实验的误差大，操作复杂，可见性不高等不足，本实用新型特提出一种封闭式多功能的单摆实验仪器。
一种封闭式多功能的单摆实验仪器，包括：底座(1)、支架(3)、摆线(10)、铁质金属摆球(12)；还包括红外线传感器(2)，固定在支架(3)底端与铁质金属摆球(12)通过的最低点对齐。
所述的单摆实验仪器，还包括横杆(4)，横杆(4)垂直于支架(3)并固定在支架(3)上，改变摆球通过最低点时的摆长。
所述的单摆实验仪器，还包括角度版(5)；角度版(5)上左右对称刻有角度，读取摆球偏离角度。
所述的单摆实验仪器，还包括有机玻璃罩(7)将整个实验仪器罩住，隔绝空气，让实验过程形成封闭系统；有机玻璃罩(7)带有抽气阀门(6)，定量抽取有机玻璃罩(7)中的空气，有机玻璃罩(7)带有气压表(9)，用于测量封闭系统中气压。
所述的单摆实验仪器，还包括第一电磁铁(8)固定在支架顶端，通电后吸引摆球(12)，等效减小重力加速度g；第二电磁铁(11)固定在支架(3)一侧，通电后吸引摆球(12)，调节电流大小可改变摆球偏离角度；铁质金属摆球(12)；第三电磁铁(13)固定在支架(3)的底端，通电后吸引摆球(12)，等效于增加重力加速度g。
所述的单摆实验仪器，还包括手动柄(14)，转动手动柄(14)从外部改变有机玻璃罩(7)内摆线长度。
所述的单摆实验仪器，还包括带孔针(15)，摆线(10)穿过带孔针(15)的针孔后固定摆点。
所述的单摆实验仪器，还包括刻度尺(16)，固定在支架(3)上，其零刻线与带孔针(15)齐平。
本实用新型增加了真空封闭系统、控制摆球角度的电磁铁、和方便计数的红外线传感器的模块，该仪器既可以可用于验证机械能守恒定律，动能定理，以及探究单摆周期与摆长，重力加速度定量关系，让实验操作简单，数据收集和处理智能化，实验结果更加精确。
附图说明
图1是仪器正面图；
图2是摆球装置放大图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本实用新型进行详细说明。
实施例1
图1是仪器正面图，图2是摆球装置放大图。封闭式多功能的单摆实验仪器包括：底座1，用于固定支架3；红外线传感器2，固定在支架3底端与铁质金属摆球12通过的最低点对齐，记录摆球通过最低点的速度、时间、次数；支架3，用于固定摆线10、横杆4、角度版5；横杆4垂直于支架3并固定在支架3上，改变摆球通过最低点时的摆长；角度版5，其上左右对称刻有角度，读取摆球偏离角度；抽气阀门6，定量抽取有机玻璃罩7中的空气；有机玻璃罩7，隔绝空气，让实验过程形成封闭系统；第一电磁铁8固定在支架顶端，通电后吸引摆球12，等效减小重力加速度g；气压表9，用于测量封闭系统中气压；摆线10；第二电磁铁11固定在支架3一侧，通电后吸引摆球，调节电流大小可改变摆球偏离角度；铁质金属摆球12；第三电磁铁13固定在支架3的底端，通电后吸引摆球12，等效于增加重力加速度g；手动柄14，转动手动柄14从外部改变玻璃罩内摆线长度；带孔针15，摆线10穿过带孔针15的针孔后固定摆点，便于读取摆长；刻度尺16固定在支架3上，用于读取摆长，其中零刻线与带孔针15齐平。
实施例2验证机械能守恒和动能定理
(1)按图1，将实验所用的设备放置好，将螺丝钉固定好并图上真空脂以密闭实验装置。
(2)打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数为10000Pa时，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门。
(3)确定摆线长度l
(4)闭合电磁铁①的开关，从角度版中读出偏离角度θ，根据摆长可算出小球上升高度h＝l(1-cosθ)。断开电磁铁开关让小球自由下落，观察小球摆动的振幅变化，由红外线传感器自动记录小球下落至最低点时的速度。
(5)打开抽气阀门再打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数分别为1000Pa、100Pa、10Pa时，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门，重复4。
(6)改变偏离角度θ和摆长l重复4、5。
(7)将记录数据输入excel，通过计算机计算比较下降的重力势能ΔEp＝mgh与增加的动能
的大小关系，从而验证机械能守恒和动能定理。
实施例3改变摆长下的机械能守恒
(1)按图1，将实验所用的设备放置好，在支架上任意一小孔中插入一根木条，小球下落到最低时摆长会改变。将螺丝钉固定好并图上真空脂以密闭实验装置。
(2)打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数为10000Pa时，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门。
(3)确定摆球在左侧摆动时摆线长度l1，右侧摆动时摆线长度l2
(4)闭合电磁铁①开关，从角度版中读出左侧最大偏离角度θ1，根据摆长可算出摆球左侧上升高度h1＝l1(1-cosθ1)。断开电磁铁开关让自由下落，观察小球摆动的振幅变化，从角度版中读出右侧最大偏离角度θ2，根据摆长可算出摆球右侧上升高度h2＝l2(1-cosθ2)。
(5)打开抽气阀门再打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数分别为1000Pa、100Pa、10Pa时，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门，重复4。
(6)改变偏离角度θ1，摆线长度l1，木条位置重复4、5。
(7)将记录数据输入excel，通过计算机计算比较左侧下降的重力势能ΔEp＝mgh1与右侧增加的重力势能ΔEp＝mgh2的大小关系，从而验证摆长改变过程中小球机械能守恒。
实施例4用单摆测量重力加速度
(1)按图1，将实验所用的设备放置好，将螺丝钉固定好并图上真空脂以密闭次实验装置。
(2)打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数为10000Pa时，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门。
(3)确定摆线长度l
(4)闭合电磁铁①开关，让小球摆动角度小于5度，形成单摆。断开电磁铁开关，让小球自由下落，用红外线传感器记录小球通过最低点的时间t1、t2…tn和次数1、2…n，可算出单摆周期。根据可得
由此可算出当地重力加速度。
(5)打开抽气阀门再打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数分别为1000Pa、100Pa、10Pa时，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门，重复3、4。
(6)改变摆长l重复以上步骤。
(7)将记录数据输入excel，计算出重力加速度大小，进而可研究空气阻力对单摆周期的影响。
实施例5探究单摆周期与摆长的关系
(1)按图1，将实验所用的设备放置好，将螺丝钉固定好并图上真空脂以密闭次实验装置。
(2)打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数为10000Pa时，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门。
(3)确定摆线长度l
(4)闭合电磁铁①开关，让小球摆动角度小于5度，形成单摆。断开电磁铁开关，让小球自由下落，用红外线传感器记录小球通过最低点的时间t1、t2…tn和次数1、2…n，算出单摆周期。
(5)改变摆长l，重复3
(6)记录摆长与周期，数据处理。
实施例6探究单摆周期与重力加速度的关系
(1)按图1，将实验所用的设备放置好，将螺丝钉固定好并图上真空脂以密闭次实验装置。
(2)打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数为10000Pa时，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门。
(3)闭合电磁铁①开关，让小球摆动角度小于5度，形成单摆。断开电磁铁开关，让小球自由下落振动，用红外线传感器记录小球下落到最低点的时间t1、t2…tn和次数1、2…n，算出单摆周期。
(4)闭合电磁铁②开关(由于电磁铁对小球吸引相当于增加重力加速度)，用红外线传感器记录小球此时通过最低点的时间和次数，将所得单摆周期与未闭合电磁铁②时比较。
(5)断开电磁铁②开关，闭合电磁铁③开关(由于电磁铁对小球吸引相当于减小重力加速度)，用红外线传感器记录小球此时通过最低点的时间和次数，将所得单摆周期与未闭合电磁铁③时比较。
(6)改变电磁铁②和电磁铁③中电流大小，重复步骤4、5。
(7)记录电磁铁中电流大小关系可得重力加速度与单摆周期的关系。
本实验仪器设计理念紧贴中学物理教学，操作简单，现象明显。其中加入了红外线传感仪和计算机辅助工具等智能化模块，减小实验误差，提高了数据处理精度和速度。实验设计了抽真空模块，做到让学生在不同空气密度下验证机械能守恒定律。支架上加装横杆，可在最低点改变摆长，进一步验证机械能守恒定律。采用可调节电流大小的电磁铁吸引金属摆球，从外部控制磁力大小。手动柄可在不拆开有机玻璃罩的情况下从外部调节摆线长度，带孔针可以精确摆点，两者结合使用可更好的固定摆长。在摆球上方和下方安置电磁铁，实现控制重力加速度大小改变单摆周期，弥补教材探究实验的不足。
此实验设计方案既可作演示实验，又可作学生探究实验，实验操作简单，实验现象容易观察，实验过程智能化，实验结果精确。是适合中学物理教学的创新型实验仪器。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种封闭式多功能的单摆实验仪器，包括：底座(1)、支架(3)、摆线(10)、铁质金属摆球(12)；其特征在于，还包括红外线传感器(2)，固定在支架(3)底端与铁质金属摆球(12)通过的最低点对齐。
2.根据权利要求1所述的单摆实验仪器，其特征在于，还包括横杆(4)，横杆(4)垂直于支架(3)并固定在支架(3)上，改变摆球通过最低点时的摆长。
3.根据权利要求1所述的单摆实验仪器，其特征在于，还包括角度版(5)；角度版(5)上左右对称刻有角度，读取摆球偏离角度。
4.根据权利要求1所述的单摆实验仪器，其特征在于，还包括有机玻璃罩(7)将整个实验仪器罩住，隔绝空气，让实验过程形成封闭系统；有机玻璃罩(7)带有抽气阀门(6)，定量抽取有机玻璃罩(7)中的空气，有机玻璃罩(7)带有气压表(9)，用于测量封闭系统中气压。
5.根据权利要求1所述的单摆实验仪器，其特征在于，还包括第一电磁铁(8)固定在支架顶端，通电后吸引摆球(12)，等效减小重力加速度g；第二电磁铁(11)固定在支架(3)一侧，通电后吸引摆球(12)，调节电流大小可改变摆球偏离角度；第三电磁铁(13)固定在支架(3)的底端，通电后吸引摆球(12)，等效于增加重力加速度g。
6.根据权利要求4所述的单摆实验仪器，其特征在于，还包括手动柄(14)，转动手动柄(14)从外部改变有机玻璃罩(7)内摆线长度。
7.根据权利要求1-6任一所述的单摆实验仪器，其特征在于，还包括带孔针(15)，摆线(10)穿过带孔针(15)的针孔后固定摆点。
8.根据权利要求7所述的单摆实验仪器，其特征在于，还包括刻度尺(16)，固定在支架(3)上，其零刻线与带孔针(15)齐平。
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