CN210777409U - 单摆实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种单摆实验装置，包括顶层滚动装置、摆绳、摆锤和用于测量摆绳长度的支架标尺，所述顶层滚动装置安装在支架标尺的上端，所述支架标尺上位于所述顶层滚动装置的下方设置有用于测量摆绳角度的量角器，所述摆绳连接在所述顶层滚动装置上以通过所述顶层滚动装置调节所述摆绳长度。本实用新型装置本身具有用于调节摆绳长度的滚动装置，用于测量摆绳长度的支架标尺和用于测量摆绳角度的量角器，在实验过程中直接通过装置测量并记录摆绳长度，摆幅大小即可，不需要额外的量角器和刻度线，提高实验效率。
Description
技术领域
本实用新型属于实验教学器材技术领域，尤其是涉及一种单摆实验装置。
背景技术
单摆实验是初高中物理教学的重要一课，主要是为了让学生们深刻了解单摆摆动周期与各种因素之间的关系，例如单摆摆动周期与摆幅的关系；单摆摆动周期和摆锤重量的关系；单摆摆动周期和摆绳长短的关系。
现有技术中，老师在进行教学的时候，通常是使用一个支架，然后在支架上连接一根摆绳，在摆绳下方连接摆锤。
在探究单摆摆动周期和摆绳长短的关系时，保持摆幅和摆锤重量不变，即在开始试验的时候，挑选一个摆锤，然后拉动摆绳到一定角度，老师/学生通过使用量角器控制角度，然后记录此时摆绳的长度后使摆锤开始自由摆动，记录摆动周期；再一次使用同样的摆锤和同样的角度，替换不同长度的摆绳并记录摆绳长度，或者使摆绳在支架上绕圈然后重新测量摆绳长度并记录，再一次开始自由摆动；
同样地，在探究单摆摆动周期和摆锤重量的关系的时候，控制摆绳长度和角度不便，改变不同重量的摆锤即可。
在探究单摆摆动周期与摆幅的关系的时候，控制摆绳长度和摆锤不便，然后每次摆动的时候测量角度使每次开始摆动的时候均具有不同的摆幅。
现有技术的实验器材结构过于简单，每次进行单摆实验的时候都需要额外的量角器和刻度尺对摆幅和刻度线长度进行测量，实验效率低，且测量精度偏低，不利于学生进行探究实验。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种自带量角器和标尺的单摆实验装置。
为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：
一种单摆实验装置，包括顶层滚动装置、摆绳、摆锤和用于测量摆绳长度的支架标尺，所述顶层滚动装置安装在支架标尺的上端，所述支架标尺上位于所述顶层滚动装置的下方设置有用于测量摆绳角度的量角器，所述摆绳连接在所述顶层滚动装置上以通过所述顶层滚动装置调节所述摆绳长度。
在上述的单摆实验装置中，所述支架标尺包括底座和两个分别直立固定在所述底座上的标尺，两个标尺相对设置且相互平行，两个标尺上均具有用于测量摆绳长度的刻度线。
在上述的单摆实验装置中，所述标尺的零刻度位于标尺的上端部，且刻度值自上而下逐渐增大，两个标尺的零刻度之间固定有卡位结构以控制所述摆绳在标尺的零刻度线处为起点。
在上述的单摆实验装置中，所述卡位结构包括固定在两个标尺之间且位于标尺零刻度处的卡位板，所述量角器固定在所述卡位板的下方，所述卡位板上具有至少一个卡口，且所述卡口的底壁位于所述量角器的零刻度线处，以使卡设在卡口处的摆线在自然状态下位于量角器的零刻度线处。
在上述的单摆实验装置中，所述卡位板上具有至少两个相距不小于卡位板1/2长度的卡口，所述的摆绳为具有两根摆线的双线摆绳，所述摆锤顶部中央具有穿线孔，所述双线摆绳的底部通过所述穿线孔与所述摆锤相连接，两根摆线的上端分别卡设在两个卡口后连接在所述顶层滚动装置上。
在上述的单摆实验装置中，所述顶层滚动装置包括调节单元和两个相对设置的安装板，两个安装板下端分别固定在两个标尺上，所述调节单元的两端分别连接在两个安装板的上端。
在上述的单摆实验装置中，两个安装板上分别具有安装孔，所述调节单元包括滚轮单元和滚轴，所述滚轮单元包括滚轮和固定在所述滚轮上且沿所述滚轮轴线方向延伸的轴心杆，所述滚轮周向可活动地贯穿在一个安装孔处，所述滚轴周向固定地包覆在所述轴心杆上，所述滚轴远离所述滚轮的一端周向可活动地贯穿在远离所述滚轮的安装孔处。
在上述的单摆实验装置中，所述安装板呈具有横板和竖板的L型结构，所述横板固定在所述标尺上，所述竖板位于所述标尺的后方并向上延伸以使所述滚轴位于所述标尺的后上方。
在上述的单摆实验装置中，所述支架标尺上安装有用于检测所述摆绳摆动的检测装置，所述检测装置连接有控制模块。
在上述的单摆实验装置中，所述控制模块包括控制器和连接于所述控制器的显示器；所述检测装置包括光敏传感器和激光探头，所述光敏传感器与所述激光探头相对设置在所述两个标尺上以使所述摆绳在激光探头与光敏传感器之间，所述光敏传感器和激光探头均连接于所述控制器。
本实用新型的优点在于：装置本身具有用于调节摆绳长度的滚动装置，用于测量摆绳长度的支架标尺和用于测量摆绳角度的量角器，在实验过程中直接通过装置测量并记录摆绳长度，摆幅大小即可，不需要额外的量角器和刻度线，提高实验效率；且由于装置本身的量角器和刻度尺本身处于静置状态，具有方便测量和能够减小测量偏差的优点；通过卡位板保证摆绳顶端位于标尺的零刻度线处，同时使摆绳在自然状态下位于量角器的零刻度线处，保证实验精度。
附图说明
图1是本实用新型实施例一中单摆实验装置的结构示意图；
图2是本实用新型实施例一中量角器的结构示意图；
图3是图1中A部分的放大图；
图4是本实用新型实施例一中卡位板的结构示意图；
图5是本实用新型实施例一中轴心杆的结构示意图；
图6是本实用新型实施例一中滚轴的结构示意图
图7是本实用新型实施例二中检测装置与控制模块的连接示意图。
附图标记：顶层滚动装置1；调节单元11；安装板12；安装孔13；滚轮单元14；滚轴15；滚轮16；轴心杆17；矩形轴孔18；摆绳2；摆锤3；支架标尺4；底座41；标尺42；量角器5；卡位结构6；卡位板61；卡口62；检测装置7；光敏传感器71；激光探头72；控制器8；显示器81。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
实施例一
如图1-图3所示，本实施例公开了一种单摆实验装置，包括顶层滚动装置1、摆绳2、摆锤3和用于测量摆绳2长度的支架标尺4。其中顶层滚动装置1安装在支架标尺4的上端，支架标尺4上位于顶层滚动装置1的下方设置有用于测量摆绳2角度的量角器5，摆绳2连接在顶层滚动装置1上以通过顶层滚动装置1调节摆绳2长度，如图2所示，量角器5的刻度线自中间底端向两边上方增大，自然状态时，摆绳2在量角器5的零刻度线处，量角器5用于控制开始时的摆幅大小。
具体地，支架标尺4包括底座41和两个分别直立固定在底座41上的标尺42，两个标尺42相对设置且相互平行，两个标尺42上均具有用于测量摆绳2长度的刻度线，摆绳2在摆锤3的重力作用下自上向下垂落时，能够通过两侧的刻度线测量摆绳2的长度，摆锤3位于两个标尺42之间并在两个标尺42连接线的垂直线方向上进行摆动实验。
优选地，为了读数的直观性，标尺42的零刻度位于标尺42的上端部，且刻度值自上而下逐渐增大，两个标尺42的零刻度之间固定有卡位结构6以控制摆绳2在标尺42的零刻度线处为起点，也就是说，在摆动的过程中，位于卡位结构6下方，即零刻度线及以下的摆绳2保持摆动，摆绳2长度以零刻度以下为准，以便于读数和控制摆绳2长度。
具体地，卡位结构6包括固定在两个标尺42之间且位于标尺42零刻度处的卡位板61，卡位板61的两端可以具有螺纹孔以通过螺纹连接方式固定在两个标尺42之间。相应地，标尺42上具有多个螺纹孔以用于安装各个部件。
量角器5固定在卡位板61的下方，量角器5上也具有螺纹孔以通过螺栓连接方式固定在标尺42上，卡位板61上具有至少一个卡口62，且卡口62的底壁位于量角器5的的零刻度线处，以使卡设在卡口62处的摆线在自然状态下位于量角器5的零刻度线处，当开始实验的时候，通过摆锤3拉起摆绳2，然后通过量角器5度量摆绳2的角度，拉到目标角度的时候使其开始摆动，从而通过量角器5控制开始时摆幅大小。
进一步地，卡位板61上具有至少两个相距不小于卡位板611/2长度的卡口62，且摆绳2为具有两根摆线的双线摆绳2，摆锤3顶部中央具有穿线孔，双线摆绳2的底部通过穿线孔与摆锤3相连接，两根摆线的上端分别卡设在两个卡口62后连接在顶层滚动装置1上，由于两个卡口62具有一定的距离，所以两根摆线相互之间呈一定角度分开。采用双线摆绳2的方式能够防止出现圆锥摆，提高实验准确率。如图4所示，本实施例的卡位板61上具有多个卡扣62。
进一步地，顶层滚动装置1包括调节单元11和两个相对设置的安装板12，两个安装板12下端分别固定在两个标尺42外侧部，调节单元11的两端分别连接在两个安装板12的上端。且所述安装板的顶端高于标尺42的顶端并使安装在所述安装板12上的调节单元11位于标尺42的上方。
具体地，两个安装板12上分别具有安装孔13，调节单元11包括滚轮单元14和滚轴15，滚轮单元14包括横截面呈圆形的滚轮16和固定在滚轮16上且沿滚轮16轴线方向延伸的轴心杆17，滚轮16周向可活动地贯穿在一个安装孔13处。
如图5所示，轴心杆17的横截面呈矩形，轴心杆17与滚轮16一体设置，或通过螺纹连接/卡扣连接方式固定在滚轮上16，且轴心杆17上具有用于安装滚轴15的通孔。如图6所示，滚轴15具有轴向延伸且与轴心杆17相适配的矩形轴孔18，滚轴15通过矩形轴孔18周向固定地包覆在轴心杆17上，滚轴15上具有与通孔相适配的过孔，通过使用螺杆将过孔与通孔一一对应连接以将滚轴15稳定地包覆在轴心杆17上。滚轴15远离滚轮16的一端周向可活动地贯穿在远离滚轮16的安装孔13处，摆绳2的上端绕卷在滚轴15上，滚轴15可以选用摩擦力较大的轴套，例如橡胶套等；另外，为了使摆绳2在滚轴15上的稳定，避免摆绳2在最长时候出现在滚轴15上打滑现象，这里还可以在滚轴15上开设过孔，使摆绳2穿过过孔并固定在过孔处。当然，本领域技术人员可以采用其他手段避免摆绳2在滚轴15上的打滑现象。
当需要调节摆绳2长度的时候，旋转滚轮16，滚轮16带动轴心杆17转动，轴心杆17带动滚轴15转动，摆绳2的上端因为滚轴15的转动而在滚轴15上绕卷，从而缩短下方摆绳2的长度，当需要延长摆绳2的长度时，向反方向转动滚轮16即可。摆绳2的长度通过两边的刻度线控制，当摆绳2延长/缩短到相应刻度线处，即结束摆绳2长度的调节。
优选地，安装板12呈具有横板和竖板的L型结构，横板固定在标尺42上，竖板位于标尺42的后方并向上延伸至标尺42上方，安装孔13开设在竖板位于标尺42以上的部位以使所述滚轴15位于所述标尺42，即卡位板61的后上方，以使摆绳2较为紧密地卡设在卡位板61卡口62的底壁处。这样，摆线就能够较为稳定地卡设在相应的卡口62处，提高实验稳定性。
实施例二
如图7所示，本实施例与实施例一类似，不同之处在于，本实施例的支架标尺4上安装有用于检测摆绳2摆动的检测装置7，检测装置7连接有控制模块。通过检测模块辅助检测摆绳2的摆动幅度。
具体地，控制模块包括控制器8和连接于控制器8的显示器81；检测装置7包括光敏传感器71和激光探头72，光敏传感器71与激光探头72相对设置在两个标尺42上以使摆绳2在激光探头72与光敏传感器71之间，光敏传感器71和激光探头72均连接于控制器8。这里的控制器8可以为能够为激光探头72供电并接收光敏传感器71感应数据，且能够将数据发送给显示器进行显示的微型单片机，本领域技术人员可以根据成本等因素选择相应的型号，具体型号不在此进行限制和赘述。
另外，这里的显示器81可以为LED显示屏等专门的显示器，也可以为电脑自带的显示器，使控制器8连接于并将数据发送给电脑，然后由电脑将数据显示在它的显示器上。
光敏传感器71连接控制器的模拟输入管脚，激光探头72连接于控制器的电源输出/脉冲输出的“5V”和“GND”管脚口，激光探头由控制器供电。正常状态下，激光探头72发射激光到光敏传感器71，控制器8接收光敏传感器71的光敏值，当摆在摆动过程中会切割光线，那么在切割的瞬间，光敏传感器71输出的光敏值较正常情况下会发生改变，记录此时的时间t1，接着当摆再次切割光线的时候，再记录时间t2，显示器81将各数值直接进行显示并记录此时时间，也可以在时间轴上以曲线的形式显示光敏传感器71的数值，t2-t1即为摆摆动一次的周期，t2-t1步骤可由控制器计算输出，当然也可以由实验人员自行算出，用户可以通过观察确定摆动周期，每两次非正常数值之间的时间差即摆动周期。利用控制器8串口功能获取每次摆动，以便于实验人员探究摆动周期和摆幅、摆锤、摆长的关系。
优选地，两个标尺42中部均具有轴向条形槽，底座41上具有螺纹孔，控制器8可以通过螺纹孔固定在底座41上，光敏传感器71固定其中一个标尺42的轴向条形槽处，激光探头72固定在另一个标尺42的轴向条形槽相对位置处，控制器8与光敏传感器71和激光探头72的连接线均嵌设在轴向条形槽中。
利用本实施例的单摆实验装置进行实验的方法包括：
A.探究摆动周期与摆幅大小的关系，保持摆绳长度与摆锤重量不变，通过量角器改变开始时的摆幅以进行多次实验，并记录每次实验的摆动周期和开始时的摆幅大小；通过该步骤可以得出实验结论：对同一个单摆而言，摆在摆动过程中，摆动周期和摆幅有关，摆幅越大，周期越大，而摆幅10°以内摆动周期的变化非常小。
B.探究摆动周期和摆锤重量的关系，保持摆绳长度与摆幅不变，改变摆锤重量以进行多次实验，并记录每次实验的摆动周期和摆锤重量；本步骤实验结论：对同一个单摆而言，单摆在摆动过程中，摆锤重量对单摆周期没有影响或影响非常小。
C.探究摆动周期和摆绳长短的关系，保持摆锤重量和摆幅不变，通过转动滚轮调节摆绳长度以进行多次实验，并记录每次实验的摆动周期和摆绳长度；本步骤实验结论：对同一个单摆而言，单摆在摆动过程中，摆动周期和摆绳长短有关，摆绳越长，摆动周期越长。
进一步地，在方法A、B、C中均由光敏传感器感应摆的摆动，并由控制器将光敏传感器相邻两次感应到摆经过时的时间差记录为一次摆动周期。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了顶层滚动装置1；调节单元11；安装板12；安装孔13；滚轮单元14；滚轴15；滚轮16；摆绳2；摆锤3；支架标尺4；底座41；标尺42；轴向走线槽43；量角器5；卡位结构6；卡位板61；卡口62；检测装置7；光敏传感器71；激光探头72；控制器8等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。
Claims (10)
1.一种单摆实验装置，其特征在于，包括顶层滚动装置(1)、摆绳(2)、摆锤(3)和用于测量摆绳(2)长度的支架标尺(4)，所述顶层滚动装置(1)安装在支架标尺(4)的上端，所述支架标尺(4)上位于所述顶层滚动装置(1)的下方设置有用于测量摆绳(2)角度的量角器(5)，所述摆绳(2)连接在所述顶层滚动装置(1)上以通过所述顶层滚动装置(1)调节所述摆绳(2)长度。
2.根据权利要求1所述的单摆实验装置，其特征在于，所述支架标尺(4)包括底座(41)和两个分别直立固定在所述底座(41)上的标尺(42)，两个标尺(42)相对设置且相互平行，两个标尺(42)上均具有用于测量摆绳(2)长度的刻度线。
3.根据权利要求2所述的单摆实验装置，其特征在于，所述标尺(42)的零刻度位于标尺(42)的上端部，且刻度值自上而下逐渐增大，两个标尺(42)的零刻度之间固定有卡位结构(6)以控制所述摆绳(2)在标尺(42)的零刻度线处为起点。
4.根据权利要求3所述的单摆实验装置，其特征在于，所述卡位结构(6)包括固定在两个标尺(42)之间且位于标尺(42)零刻度处的卡位板(61)，所述量角器(5)固定在所述卡位板(61)的下方，所述卡位板(61)上具有至少一个卡口(62)，且所述卡口(62)的底壁位于所述量角器(5)的零刻度线处，以使卡设在卡口(62)处的摆线在自然状态下位于量角器(5)的零刻度线处。
5.根据权利要求4所述的单摆实验装置，其特征在于，所述卡位板(61)上具有至少两个相距不小于卡位板(61)1/2长度的卡口(62)，所述的摆绳(2)为具有两根摆线的双线摆绳(2)，所述摆锤(3)顶部中央具有穿线孔，所述双线摆绳(2)的底部通过所述穿线孔与所述摆锤(3)相连接，两根摆线的上端分别卡设在两个卡口(62)后连接在所述顶层滚动装置(1)上。
6.根据权利要求1所述的单摆实验装置，其特征在于，所述顶层滚动装置(1)包括调节单元(11)和两个相对设置的安装板(12)，两个安装板(12)下端分别固定在两个标尺(42)上，所述调节单元(11)的两端分别连接在两个安装板(12)的上端。
7.根据权利要求6所述的单摆实验装置，其特征在于，两个安装板(12)上分别具有安装孔(13)，所述调节单元(11)包括滚轮单元(14)和滚轴(15)，所述滚轮单元(14)包括滚轮(16)和固定在所述滚轮(16)上且沿所述滚轮(16)轴线方向延伸的轴心杆(17)，所述滚轮(16)周向可活动地贯穿在一个安装孔(13)处，所述滚轴(15)周向固定地包覆在所述轴心杆(17)上，所述滚轴(15)远离所述滚轮(16)的一端周向可活动地贯穿在远离所述滚轮(16)的安装孔(13)处。
8.根据权利要求7所述的单摆实验装置，其特征在于，所述安装板(12)呈具有横板和竖板的L型结构，所述横板固定在所述标尺(42)上，所述竖板位于所述标尺(42)的后方并向上延伸以使所述滚轴(15)位于所述标尺(42)的后上方。
9.根据权利要求1所述的单摆实验装置，其特征在于，所述支架标尺(4)上安装有用于检测所述摆绳(2)摆动的检测装置(7)，所述检测装置(7)连接有控制模块。
10.根据权利要求9所述的单摆实验装置，其特征在于，所述控制模块包括控制器(8)和连接于所述控制器(8)的显示器(81)；所述检测装置(7)包括光敏传感器(71)和激光探头(72)，所述光敏传感器(71)与所述激光探头(72)相对设置在所述两个标尺(42)上以使所述摆绳(2)在激光探头(72)与光敏传感器(71)之间，所述光敏传感器(71)和激光探头(72)均连接于所述控制器(8)。
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