CN2073139U

CN2073139U - 立式磁控光显研究牛顿第二定律仪

Info

Publication number: CN2073139U
Application number: CN 90215969
Authority: CN
Inventors: 肖毅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-10-03
Filing date: 1990-10-03
Publication date: 1991-03-13

Abstract

本实用新型使研究牛顿第二定律的实验原理简明且趋完善。两长支杆(2)上端的定滑轮(3)上各跨一根细绳(9)，当绳两端挂的砝码质量不等时，其重力之差使它们均从静止开始作加速运动，电磁铁(11)控制它们的起动，可调动的挡板(6)控制它们的终止位置，内藏活动导线的标尺柱(12)供读位移，灯光L₁、L₂ 由开关K₁、K₁控制，能显示它们运动终止的时刻。使用本仪器操作简便，节省课时，能获得研究牛顿第二定律的满意效果。

Description

本实用新型属高级中学与中等专业学校物理学科力学实验仪器。

现有技术中的“阿特武德机”（见《中学物理教师手册》第727页）。该机的一滑轮上跨一细绳，当绳的两端悬挂的砝码质量（M）和（M＋△m）相差（△m）时，重力之差（△mg）使系统（M和M＋△m）从静止开始在竖直空间做匀加速直线运动。这种对系统所受外力（△mg）和总质量（M＋M＋△m）的取值以及砝码组在竖直空间运动所受空气阻力极小，使该机研究牛顿第二定律的实验原理趁于完善。但是由于它只取一组砝码进行研究，故除要在标尺上读出位移S外，还要用电动秒表测出砝码运动时间t，然后依据公式S＝1／2at²，去计算a，这种测算要进行多次，并运用测算的多组值作a－F，a－1／m的函数图象，最后综合分析得出牛顿第二定律。显然这种研究过程是繁锁，颇花时间的。《物理教学》90年第2期上介绍有《磁控光显研究牛顿第二定律装置》一文，该装置是取两端在水平轨道上运动的小车为研究对象，令两小车做初速度为零的匀加速直线运动，且运动的时间相等，由公式S＝1／2at²，可得出a∝s，从而比较两小车的位移，就可以比较它们的加速度，这种用位移比代替加速度比研究方法，其实验原理是简明的，且由于完全抛开了时间的测定和繁多的数学计算，很节省时间，加之该装置还采用了“磁控”、“光显”技术，能使实验操作方便，实验现象明显。但是，由于它沿用的是现行高级中学课本中的“卧式”装置形式，把拉小车的外力认为是挂盘与砝码的重力mg，而实际应该是绳子的拉力F＝M／M＋m·mg，M为小车的质量，显然F＜mg，这样，简明的实验原理却大有不完善之处，必要造成系统误差，当m≤M时，虽可减小这种误差，但不能消除。另外，小车在轨道上运动所受摩擦阻力不可忽略，要减小这一摩擦力的影响，得使用“斜面平衡法”，这又是一件颇麻烦费时的工作。

本实用新型的目的是提供一种改进的其实验原理简明、又趋于完善，同时具有操作方便，节省课时，效果甚佳的研究牛顿第二定律的新型教学仪器。

本实用新型的任务是以如下方式完成的：在两竖直的长支杆上端的定滑轮上各跨一根细绳，两组砝码按质量相等，所受恒外力不同或所受恒外力相同，质量不等的两种情况定值分配，而后把它们悬挂于两根细绳的各端，让这两组砝码在竖直空间道上做初速度为零的匀加速直线运动。为确保两组砝码能同时起动，采用了电磁铁的控制手段，为方便判明两组砝码运动时间是否相等，安装了自动显示运动终止时刻的“光显”电路。另外，一根竖直安装的标尺柱，既方便读位移值，又能将“光显”电路中的活动导线藏放在其空腔中。

附图1、附图2和附图3是本实用新型的整体外形，挡板局部及电路原理图。现对照附图详述如下：

底座［1］上立有两长支杆［2］，每长支杆上端装着一个定滑轮［3］，长支杆上的套筒［4］可上下移动，上面装有一颗起固定位置作用的旋纽［5］，套筒一侧牢固地连接着挡板［6］、挡板上定位装有绝缘隔片［7］和双铜片［8］。双铜片与绝缘隔片的整体作用是作为“光显电路中的碰撞开关K₁、K₂。跨在定滑轮上的两根细绳［9］的长度相等，两端都勾挂着砝码［10］（砝码落放在砝码勾盘上）。两电磁铁［11］安装底座上的位置在两外侧砝码勾盘的正下方。标尺柱［12］的两侧各有一条竖直长开口，开口通柱内的空腔，接在双铜片开关K₁、K₂上的四根活动导线［13］就藏放在柱内空腔中。标尺柱上“0”刻度线，一般都取作为两组砝码运动的初始位置。起“光显”作用的小灯泡L₁、L₂装在标尺柱上方位置。标尺柱顶端接有一根横杆［14］，它把标尺柱、两长支杆的上部连了起来，起牢固装置的作用，为使横杆不会碰着走动的绳线，在它上面钻有两个较大的通线孔。底座上还安装有电源接线柱［15］和控制电磁铁电路的单刀开关K₃，为调底座水平，可装上螺钉脚［16］。

使用本实用新型研究牛顿第二定律的实验步骤是：

1、在简单介绍了该仪器构造、原理后，用两只手的各一手指分别撞击双铜片，灯光电路接通，让学生看到先撞击一灯先亮，后撞击一方的灯后亮，同时撞击，两灯同时亮。使学生明确，实验中两灯泡同时发光，则表明两组砝码运动的时间相等。

2、研究两组砝码在质量相等的条件下，它们的加速度与所受的不同恒外力的关系。

为让表述中的字母意义明确，先设一根细绳两端所悬挂的砝码（包括砝码勾盘）质量分别为m₁、m′₁，且m′₁＞m₁，则这一系统受外力F₁＝（m′－m）g，这一系统的总质量M₁＝m₁＋m′₁；设另一根细绳两端所悬挂的砝码质量分别为m₂、m′₂，且m′₂＞m₂，则这另一系统受外力F₂＝（m′₂－m₂）g，这另一系统的总质量M₂＝m₂＋m′₂。

按M₁＝M₂和m′₁－m₁≠m′₂－m₂的原则确定好各砝码勾盘上要放置的砝码量，算出F₁［＝（m′₁－m₁）g］与F₂［＝（m′₂－m₂）g］的比值。例如：取M₁＝M₂＝50克，分配m₁＝20克，m′₁＝30克，m₂＝10克，m′₂＝40克，则有F₁：F₂＝1：3。

合上开关K₂，让电磁铁吸住其上的砝码勾盘。按确定一组分配量挂好所有的砝码。任意取定两挡板的位置，断开开关K₃，两组砝码被同时释放。细致观察两灯泡发光情况，一般是有先亮后亮之分，只有当两挡板的位置能满足，让两组砝码的位移比等于所受外力比时，才同时发光。改用不同外力比值的组，重复上面的操作，观察到的现象相同。实验表明，两组砝码的位移与它们受的外力成正比。因此，我们可以得到结论：对质量相同的物体来说，物体的加速度跟作用在它上面的力成正比。

3、研究两组砝码受相同的恒外力作用的条件下，它们的加速度与它们不等的质量的关系。

按m′₁－m₁＝m′₂－m₂和m₁＋m′₁≠m₂＋m′₂的原则，确定好各砝码勾盘上要放置的砝码量，并算出M₁与M₂的比值。例如：取F₁＝F₂＝20克力，分配m′₁＝30克，m₁＝10克，m′₂＝50克，m₂＝30克，则有M₁：M₂＝1：2。

合上开关K₃，让电磁铁吸住其上的两砝码勾盘。按确定好的一组分配量挂好所有的砝码，任意取定两挡板的位置，断开开关K₃，两组砝码被同时释放。细致观察两灯泡的发光情况，一般亦有先亮后亮之分，只有当两挡板位置能满足两组砝码的位移与它们的质量成反比时，才同时发光。改用不同质量比值的组，重复上面的操作，观察到的现象相同。实验表明，两组砝码的位移与它们的质量成反比。因此，我们可以得到结论：在相同的力作用下，加速度跟质量成反比。

本实用新型由于采用“立式”、“双空间道”结构，两组砝码在竖直的两并排空间道上运动，这不仅使实验的直观性强，可见度大，对比度大，更重要的还能使立式的阿特武德机原理这精华，即“悬挂在一绳双端的砝码所受作用力等于两边砝码重量的差，系统总质量即是两边砝码质量的和”得以发扬光大，同时又使两小车在双轨道上运动的卧式装置的优越处，即“用位移比代替加速度比的”的原理能依据放光彩。故本实用新型的实验原理能既简明，又趋于完善。另外，准确可靠的“磁控”、“光显”技术，既能使两组砝码严格同时起动，又能当即不误地显示它们运动终止的时刻。总之，一系列的改进方法，使本实用新型在研究牛顿第二定律的演示中显示出一系列的优点，从而让实验获得成功，取得令人满意的效果。

本实用新型研究牛顿第二定律的教学仪器，没有复杂的结构，工艺与材料的要求也均不难解决，一般教学仪器生产厂家完全有能力生产。

Claims

一种物理研究牛顿第二定律的教学仪器，它包括由底板[1]、支柱[2]、定滑轮[3]、挡板[6]、标尺柱[12]和横杆[14]构成的仪器主体结构，其特征在于该仪器的两竖直的长支杆[2]上端各装有一个定滑轮[3]，且上有套筒[4]，套筒一侧牢固地连接着挡板[6]，挡板上定位装有绝缘隔片[7]和双铜片[8]，两电磁铁[11]安装在底座上的位置是在绳线[9]上掉挂着的两外侧砝码[10]的正下方，标尺柱[12]的两侧均有竖直长开口，开口通柱内的空腔，接在双铜片开关K₁、K₂上的四根活动导线[13]就藏放在柱内空腔中，小灯泡L₁、L₂装在标尺柱[12]的上方。