CN204808676U - 一种弹性摆实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种弹性摆实验装置，由底座、底座脚螺旋、水平仪、竖杆、横杆、电磁铁、拉力传感器、固定螺丝、弹性细丝与金属小球组成。所述弹性摆实验装置依靠电磁铁通电和断电实现金属小球的固定和释放，通过改变横杆上电磁铁的位置控制弹性细丝长度，并以设置在弹性细丝根部的拉力传感器来监测实验过程中弹性细丝的拉力。本实用新型可以准确测量弹性摆初始摆长，有效控制金属小球释放形态，获得摆动过程弹性细丝的拉力时程。相比于现有实验装置，本实用新型操作简单、精度高、受人为因素干扰少，是一种适宜物理教学的实验装置。

Description

一种弹性摆实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种物理实验装置，具体地指一种弹性摆实验装置。

背景技术

弹性摆指由弹性轻质细丝与重物组成的单摆系统。弹性摆由于弹性轻质细丝参与系统能量的转化，使其运动呈复杂的非线性形式。针对弹性摆的研究目前集中于解析分析与数值模拟，即以差分法根据弹簧摆运动方程求解系统振动形态。以实验方法研究弹性摆的运动形态还鲜有报道。

在弹性摆实验教学过程中，发现相比于普通单摆实验其有着许多困难。首先，弹性摆由于其弹性细丝的限制，很容易产生初始变形而使得系统初始摆长难以准确测量，也无法保证金属小球以自由落体状态开始摆动；此外，目前以手动控制金属球释放的方式无法避免外部干扰，保证小球释放时初始速度为零；而以人工记录小球释放时间起点精度又较低，并且与单摆不同弹性摆的弹性细丝在运动过程中对金属小球的作用力很难求解，因此，得到弹性摆周期性的摆线拉力时程对研究其运动形态有着重要意义。

发明内容

本实用新型的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供了一种精度高、控制方便并可以得到弹性细丝拉力时程的弹性摆实验装置。

本实用新型的技术方案是：一种弹性摆实验装置由底座、底座脚螺旋、水平仪、竖杆、横杆、电磁铁、拉力传感器、固定螺丝、弹性细丝与金属小球组成。

其中，所述底座为刚性结构，设有水平仪，在底座下设置有多个角螺旋，通过调节角螺旋使底座水平仪的气泡居中，实现整体实验装置水平；

所述竖杆为两个刚性杆件，相互平行并垂直布置在底座中轴线上；

所述横杆为刚性杆件，垂直连接于竖杆上部，其底端连接于两个竖杆之间，横杆长度方向标有刻度尺，刻度尺以横杆和竖杆连接点为0刻度点；

横杆下表面设有长度方向的滑槽，所述电磁铁连接于横杆滑槽内，并可沿滑槽在横杆长度方向滑动；

所述固定螺丝设置于电磁铁上，通过旋紧固定螺丝可将电磁铁固定在横杆上；

所述拉力传感器设置在横杆下表面横杆刻度尺0点处，其外部连接有数据采集处理系统；

所述弹性细丝一端连接于拉力传感器，另一端连接有金属小球；

本实用新型所述弹性细丝为轻质结构，其质量相对于金属小球可以忽略不计，且在实验过程中始终处于弹性变形范围内；

本实用新型所述金属小球的特征尺寸相对于弹性细丝长度可以忽略不计。

本实用新型在实施过程中，首先通过调整底座脚螺旋，根据水平仪气泡位置，实现装置整体水平；然后接通电磁铁电源，将金属小球吸附于电磁铁上，接通拉力传感器外部数据采集处理系统；沿横杆滑槽移动电磁铁，观察拉力传感器测量的拉力数值变化，当拉力传感器刚好出现读数时，停止滑动电磁铁，并拧紧固定螺丝，将电磁铁固定在横杆上；然后，读取电磁铁上金属小球中心线在横杆刻度尺上读数L，即为弹性摆初始摆长；关闭电磁铁电源，金属小球开始下摆，记录金属小球释放时刻；通过拉力传感器记录弹性摆摆动过程中弹性细丝的拉力时程。

相比于现有实验装置，本实用新型有以下优点：

(1)依靠电磁铁吸附金属小球，通过关闭电磁铁电源实现金属小球释放，有效地控制了金属小球的释放形态，并实现了精确记录金属小球释放时间；

(2)通过在横杆上滑动电磁铁调整弹性细丝长度，并根据拉力传感器读数确定弹性细丝张紧时刻，保证了弹性摆初始状态时弹性细丝处于原始长度，并利用横杆标尺准确地测量了系统初始摆长；

(3)通过在弹性摆的弹性细丝根部设置拉力传感器获得了运动过程中弹性细丝的拉力时程。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1中的A-A位置剖面图；

图3是图1和图2中所示横杆5的仰视图；

图中：1、底座；2、底座脚螺旋；3、水平仪；4、竖杆、5、横杆、6、滑槽；7、刻度尺；8、电磁铁；9、固定螺丝；10、拉力传感器；11、金属小球；12、弹性细丝。

具体实施方式

下面结合附图和一个具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型所述一种弹性摆实验装置，由底座1、底座脚螺旋2、水平仪3、竖杆4、横杆5、电磁铁8、电磁铁固定螺丝9、拉力传感器10、金属小球11和弹性细丝12组成。

如图1所述，底座1为刚性结构，设置有水平仪3和多个底座脚螺旋2，调整脚螺旋2使水平仪3的气泡居中，实现底座1水平。两根竖杆4相互平行，底端垂直固定于底座1的中轴线上。

如图1和图2所示，横杆5垂直连接在两根竖杆4之间，横杆5沿长度方向标有刻度尺7，刻度尺7横杆5和竖杆4连接处为0刻度点，横杆5底面设有长度方向上的滑槽6。

如图2和图3所示，电磁铁8连接于横杆5底面滑槽6内，可沿滑槽6在横杆5长度方向上移动；电磁铁8上设置有固定螺丝9，通过旋紧固定螺丝9可以使电磁铁8固定在横杆5上。

如图2和图3所示，拉力传感器10固定在横杆5根部刻度尺7的0刻度点，拉力传感器10上连接有弹性细丝12，弹性细丝12末端连接有金属小球11。

所述电磁铁8外部连通电源；所述拉力传感器10外部联通有数据采集处理系统。

本实施例的具体实验步骤如下：

(1)如图1所示，将由金属小球11和弹性细丝12组成的弹性摆连接在拉力传感器10上，通过调整底座脚螺旋2并观察水平仪3气泡位置，实现底座1水平；

(2)如图2所示，接通电磁铁8电源，将金属小球11吸附于电磁铁8上；

(3)接通拉力传感器10的外部数据采集处理系统，沿横杆5上的滑槽6移动电磁铁8，观察拉力传感器10测量的拉力数值变化，当拉力传感器10刚好出现拉力读数时，停止滑动电磁铁8，并拧紧电磁铁固定螺丝9，将电磁铁固定在横杆5上；

(4)如图3所示，读取此时金属小球11中心对应在刻度尺7上的读数L，即为弹性摆初始摆长；

(5)关闭电磁铁8外接电源，释放金属小球11，记录电源关闭时刻，通过拉力传感器10获得弹性摆摆动过程中弹性细丝12的拉力时程。

本实用新型依靠电磁铁吸附金属小球，通过关闭电磁铁电源实现金属小球的释放，有效地控制了金属小球的释放形态；通过改变电磁铁在横杆上的位置并根据拉力传感器读数确定弹性细丝自由长度，以拉力传感器记录运动过程中弹性细丝的拉力时程。本实用新型适宜作为物理教学设备。

Claims (1)

1.一种弹性摆实验装置，由底座、底座脚螺旋、水平仪、竖杆、横杆、电磁铁、拉力传感器、固定螺丝、弹性细丝与金属小球组成，其特征在于：所述底座、竖杆、横杆均为刚性结构，底座上设有水平仪，底座下设置有多个调平用的底座角螺旋；所述竖杆为相互平行的两个刚性杆，垂直连接于底座上；所述刚性横杆垂直连接于竖杆上部，其底端连接于两个竖杆之间，横杆长度方向标有刻度尺，所述刻度尺以横杆和竖杆连接点为0刻度点；横杆下平面设有长度方向的滑槽，所述电磁铁连接于横杆下表面滑槽，并可沿滑槽在横杆长度方向滑动；电磁铁上设有固定螺丝，通过旋紧固定螺丝可将电磁铁固定在横杆上；所述拉力传感器设置在横杆下表面横杆刻度尺0点处，外部连接有数据采集处理系统；所述弹性细丝一端连接于拉力传感器，另一端连接于金属小球。