CN218299239U - 一种多功能单摆实验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能单摆实验仪，属于实验设备技术领域，其技术方案要点包括底板、支架板、白色背景板、横梁、量角器和白色半圆板，所述支架板固定连接在底板的两侧，所述白色背景板固定连接在底板的后侧，且前侧与支架板固定连接，所述横梁固定连接在支架板的顶部，所述横梁的顶部设置有水平仪，所述量角器和白色半圆板均与横梁固定连接，且量角器与白色半圆板大小相同，本实用新型可以进行中学物理教学中的探究影响单摆周期的因素、测量重力加速度、验证动量守恒定律等多个实验，能尽量确保操作的规范性，结合信息技术手段得到误差较小的实验结论，能有效提高物理教学成效。

Description

一种多功能单摆实验仪

技术领域

本实用新型涉及实验设备技术领域，特别涉及一种多功能单摆实验仪。

背景技术

物理是一门以实验为基础的学科，实验教学是物理教学过程中极为重要的一环，实验仪器是物理教学的辅助装置，不同的实验对实验仪器有不同的要求，现有实验仪器功能单一，进行不同实验时必须更换实验仪器，过程复杂且耗时，此外，传统单摆实验装置是将摆球通过细线缠绕在固定于铁架台的横梁上，此种实验装置存在缺陷，如探究单摆周期与摆长关系时摆长改变麻烦、手动释放摆球容易形成圆锥摆以及不能判断出摆球是否在同一个平面内运动等问题，给实验数据带来了误差，另外，进行单摆测量重力加速度实验时，摆长测量繁琐，测量结果误差较大。

实用新型内容

本实用新型提供一种多功能单摆实验仪，旨在解决现有的实验仪器功能单一，进行不同实验时必须更换实验仪器，过程复杂且耗时，此外，传统单摆实验装置是将摆球通过细线缠绕在固定于铁架台的横梁上，此种实验装置存在缺陷，如探究单摆周期与摆长关系时摆长改变麻烦、手动释放摆球容易形成圆锥摆以及不能判断出摆球是否在同一个平面内运动等问题，给实验数据带来了误差，另外，进行单摆测量重力加速度实验时，摆长测量繁琐，测量结果误差较大，从而影响实验效果的问题。

本实用新型是这样实现的，一种多功能单摆实验仪，包括底板、支架板、白色背景板、横梁、量角器和白色半圆板，所述支架板固定连接在底板的两侧，所述白色背景板固定连接在底板的后侧，且前侧与支架板固定连接，所述横梁固定连接在支架板的顶部，所述横梁的顶部设置有水平仪，所述量角器和白色半圆板均与横梁固定连接，且量角器与白色半圆板大小相同。

优选的，作为本实用新型的一种多功能单摆实验仪优选的，所述横梁的内部开设有小孔，且小孔的内部固定连接有摆线固定条，所述横梁前侧的左侧固定连接摆线微调旋钮，所述摆线微调旋钮的表面缠绕有摆线，所述摆线另一端贯穿小孔，并置于量角器和白色半圆板的中间，所述摆线远离摆线微调旋钮的一端连接有摆球。

优选的，作为本实用新型的一种多功能单摆实验仪优选的，所述量角器和白色半圆板对称设置在摆线固定条的两侧，所述量角器的前侧标有刻度，所述白色半圆板中轴线位置粘贴有刻度尺。

优选的，作为本实用新型的一种多功能单摆实验仪优选的，所述横梁的后侧活动连接有可转动杆，所述可转动杆的内部螺纹连接有吊环螺丝钉，所述可转动杆通过吊环螺丝钉与横梁活动连接，所述可转动杆的底端套设有固定夹，所述固定夹的顶部固定连接有电磁铁，所述固定夹通过旋钮固定连接在可转动杆上，所述可转动杆的右侧固定连接有电源开关，所述电源开关与电磁铁单向电性连接，所述可转动杆的后侧粘贴有电池盒。

优选的，作为本实用新型的一种多功能单摆实验仪优选的，所述底板的顶部固定连接有轨道伸拉条，所述轨道伸拉条的顶部固定连接有支撑框，所述支撑框的顶部固定连接有斜轨，所述斜轨的顶部活动连接有可移动小球释放夹。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

该多功能单摆实验仪：

1、本实用新型通过摆线缠绕在摆线微调旋钮上，摆线穿过横梁中间的小孔，且位于量角器与白色半圆板之间，摆线下端悬挂摆球，摆球可通过固定在固定夹上的电磁铁释放，进行实验探究影响单摆周期的因素、测量重力加速度以及验证机械能守恒定律，通过在底板上安装轨道伸拉条，轨道伸拉条上方安装好支撑框，又于支撑框上安装斜轨，斜轨上安装了可移动小球释放夹，进行动量守恒实验验证，解决了只能进行单一实验仪器不能同时进行多种实验的问题，提高了物理教学的效率；

2、本实用新型通过在摆线两侧安装量角器与白色半圆板，并将两板的间距缩小，以达到在摆球摆动时控制其在同一平面内，减少圆锥摆现象对实验数据造成的影响；同时，通过将摆线缠绕在摆线微调旋钮上，转动摆线微调旋钮以改变摆长，使摆长的改变变得简便精确，此外，采用电磁铁实现摆球的吸附和释放，减少了圆锥摆现象的出现。

附图说明

图1为本实用新型的多功能单摆实验仪的整体结构图；

图2为本实用新型中侧面结构示意图。

图中，1、横梁；2、摆线微调旋钮；3、量角器；4、白色半圆板；5、可移动小球释放夹；6、斜轨；7、摆线；8、支架板；9、摆球；10、电磁铁；11、底板；12、轨道伸拉条；13、电源开关；14、摆线固定条；15、水平仪；16、支撑框；17、白色背景板；18、可转动杆；19、刻度尺；20、固定夹；21、吊环螺丝钉；22、电池盒。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1-2，本实用新型提供技术方案：一种多功能单摆实验仪，底板11、支架板8、白色背景板17、横梁1、量角器3和白色半圆板4，其特征在于：支架板8固定连接在底板11的两侧，白色背景板17固定连接在底板11的后侧，且前侧与支架板8固定连接，横梁1固定连接在支架板8的顶部，横梁1的顶部设置有水平仪15，量角器3和白色半圆板4均与横梁1固定连接，且量角器3与白色半圆板4大小相同。

在本实施例中：通过摆线7缠绕在摆线微调旋钮2上，摆线7穿过横梁1中间的小孔，且位于量角器3与白色半圆板4之间，摆线7下端悬挂摆球9，摆球9可通过固定在固定夹20上的电磁铁10释放，进行实验探究影响单摆周期的因素、测量重力加速度以及验证机械能守恒定律，通过在底板11上安装轨道伸拉条12，轨道伸拉条12上方安装好支撑框16，又于支撑框16上安装斜轨6，斜轨6上安装了可移动小球释放夹5，进行动量守恒实验验证，解决了只能进行单一实验仪器不能同时进行多种实验的问题，提高了物理教学的效率；

通过在摆线7两侧安装量角器3与白色半圆板4，并将两板的间距缩小，以达到在摆球9摆动时控制其在同一平面内，减少圆锥摆现象对实验数据造成的影响；同时，通过将摆线7缠绕在摆线微调旋钮2上，转动摆线微调旋钮2以改变摆长，使摆长的改变变得简便精确，此外，采用电磁铁10实现摆球的吸附和释放，减少了圆锥摆现象的出现。

作为本实用新型的技术优化方案，横梁1的内部开设有小孔，且小孔的内部固定连接有摆线固定条14，横梁1前侧的左侧固定连接摆线微调旋钮2，摆线微调旋钮2的表面缠绕有摆线7，摆线7另一端贯穿小孔，并置于量角器3和白色半圆板4的中间，摆线7远离摆线微调旋钮2的一端连接有摆球9。

在本实施例中：通过设置小孔，可以固定单摆所绕其摆动的点，防止摆球9摆动时摆线7在小孔下端左右晃动，对实验数据的准确性造成影响，通过摆线微调旋钮2可以对摆线2的长度进行调节，转动摆线微调旋钮2以改变摆长，使摆长的改变变得简便精确。

作为本实用新型的技术优化方案，量角器3和白色半圆板4对称设置在摆线固定条14的两侧，量角器3的前侧标有刻度，白色半圆板4中轴线位置粘贴有刻度尺19。

在本实施例中：通过量角器3和白色半圆板4对称设置在摆线固定条14的两侧，使量角器3和白色半圆板4中间的间隙较小，可以控制摆球9在摆动时处于在同一平面内，减少圆锥摆现象对实验数据造成的影响。

作为本实用新型的技术优化方案，横梁1的后侧活动连接有可转动杆18，可转动杆18的内部螺纹连接有吊环螺丝钉，可转动杆18通过吊环螺丝钉21与横梁1活动连接，可转动杆18的底端套设有固定夹20，固定夹20的顶部固定连接有电磁铁10，固定夹20通过旋钮固定连接在可转动杆18上，可转动杆18的右侧固定连接有电源开关13，电源开关13与电磁铁10单向电性连接，可转动杆18的后侧粘贴有电池盒22。

在本实施例中：采用电磁铁10实现摆球9的吸附和释放，减少了圆锥摆现象的出现，将电磁铁10固定在固定夹20上，固定夹20可以在可转动杆18上移动，实现了电磁铁10位置的移动，方便电磁铁10对摆球9的吸附和释放，进行实验演示单摆振动图像、探究单摆周期与摆长、摆球质量和振幅摆角的关系、测量重力加速度以及验证机械能守恒定律。

作为本实用新型的技术优化方案，底板11的顶部固定连接有轨道伸拉条12，轨道伸拉条12的顶部固定连接有支撑框16，支撑框16的顶部固定连接有斜轨6，斜轨6的顶部活动连接有可移动小球释放夹5。

在本实施例中：通过轨道伸拉条12、支撑框16、斜轨6和可移动小球释放夹5的设置，可以便于进行验证动量守恒定律。

下面进行五个物理实验来更好地使用本实施例：

实施例1：演示单摆振动图像

如图1所示，通过拧松固定夹20上的定位螺丝将电磁铁10移动到靠近摆球9的位置，并拧紧螺丝固定电磁铁10，抽出摆线固定条14，转动摆线微调旋钮2以改变摆线7的长度，使摆球9刚好与电磁铁10相接，避免电磁铁10吸附摆球9时摆线7拉长而引起实验误差，当摆球9静止时，按下电源开关13使摆球9吸附在电磁铁10上，拉动可转动杆18使摆线7移动到5°以内，按下电源开关13释放摆球9使其左右摆动，在装置正前方安放支架和手机，用手机录制下该过程，导入视频分析软件即可获得单摆振动图像，同时该实验，可重复进行。

实施例2：探究单摆周期与摆长、摆球质量和振幅（摆角）的关系

如图1所示，探究单摆周期与摆长的关系，需控制摆球质量和振幅不变，改变摆长，首先抽出摆线固定条14，转动摆线微调旋钮2以改变摆线7的长度到合适长度，通过拧松固定夹20上的定位螺丝将电磁铁10移动到靠近摆球9的位置，并拧紧螺丝固定电磁铁10，抽出摆线固定条14，转动摆线微调旋钮2以改变摆线7的长度，使摆球9刚好与电磁铁10相接，当摆球9静止时，用直尺量出摆线7长度并记录当前摆长，按下电源开关13使摆球9吸附在电磁铁10上，拉动可转动杆18使摆线7移动到固定角度，按下电源开关13释放摆球9使其左右摆动，在装置正前方安放支架和手机，用手机录制下该过程，导入视频分析软件，得出当前摆长下摆球9摆动的周期，重复上述操作，得出一系列摆长与周期的数值，求解它们的关系。

探究单摆周期与摆球质量的关系，需控制摆长和振幅不变，改变摆球质量，摆球质量通过电子秤称量得出，为保证在更换摆球时摆长不改变，在摆球9上做了调整，将原来的有孔铁球装入了塑料球壳中，改变摆球质量时只需取下一半的球壳，更换球壳中的铁球，有效地控制了摆长，操作步骤与探究单摆周期与摆长的关系类似，重复部分不再赘述。

探究单摆周期与振幅（摆角）的关系，需控制摆长和摆球质量不变，改变振幅，将摆线7移动到不同角度，释放摆球9，用手机录制视频，操作步骤与探究单摆周期与摆长的关系类似，重复部分不再赘述。

实施例3：用单摆测量重力加速度

在单摆摆动幅度小于5°时，单摆运动可以视为简谐振动，根据公式

，可知重力加速度为

，据此，只要测出摆长L和周期T，就可以计算出当地重力加速度g的数值，由于用游标卡尺测量摆球9直径时易卡错位，使误差增大，且用直尺测摆线7长度时，摆球9与摆线7悬空，导致测量不准确，本装置利用“改变摆线长度”的方法能避免“摆球半径测量”的误差，在实验时减小或增加摆线7的长度，分别测得其单摆运动的周期，采用数学推理的方法，只需测量摆线长度的改变量，而无需测量摆球9的半径，从而避免了测量摆球9半径所产生的实验误差，数字推导如下：

如图1所示，首先记录下刻度尺19上当前摆线7标记点的位置，调整电磁铁10的位置，确保摆线7紧绷且摆球9刚好能竖直吸附上电磁铁10，按下电源开关13，移动摆球9和电磁铁10至摆线偏离竖直方向5°时停下，按下电源开关13释放摆球9，使摆球9开始摆动，用手机录制摆线长为L的单摆运动视频，多次改变摆长，重复上述操作，记录标记点位置并录制视频，将录制好的视频导入视频分析软件中，得出不同摆长对应的周期，由此可测量重力加速度。

实施例4：验证机械能守恒定律

在只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能相互转化时总的机械能保持不变，即

mv² ₂+mgh₂=

mv² ₁+mgh₁，读取出小球初末位置的高度、速度等即可探究机械能守恒定律。

如图1所示，通过拧松固定夹20上的定位螺丝将电磁铁10移动到靠近摆球9的位置，并拧紧螺丝固定电磁铁10，抽出摆线固定条14，转动摆线微调旋钮2以改变摆线7的长度，使摆球9刚好与电磁铁10相接，当摆球9静止时，按下电源开关13使摆球9吸附在电磁铁10上，拉动可转动杆18使摆线7移动到任意角度，按下电源开关13释放摆球9使摆动，在装置正前方安放支架和手机，用手机录制下该过程，导入视频分析软件，选定几组初末位置，即可获得对应的高度和速度，由此可验证机械能守恒定律，同时该实验，可重复进行。

实施例5：验证动能守恒定律

两个物体在发生碰撞时，作用时间很短，根据动量定理，它们的相互作用力很大，如果把这两个物体看作一个系统，那么，虽然物体还受到重力、支持力、摩擦力、空气阻力等外力的作用，但是有些力的矢量和为0，有些力与系统内两物体的相互作用力相比很小，因此，在可以忽略这些外力的情况下，碰撞满足动量守恒定律（m1v1′＋m2v2′＝m1v1＋m2v2）的条件，在此实验前需通过电子秤测量出摆球与碰撞小球的质量。

如图1所示，首先滑动轨道伸拉条12使摆球9刚好位于斜轨6正上方，抽出摆线固定条14，转动摆线微调旋钮2以改变摆线7的长度，使摆线7紧绷且摆球9刚好能接触到斜轨6，通过调节可移动小球释放夹5使不同质量的小球从斜轨6不同高度处释放，为了让小球获得不同速度，在装置正前方安放支架和手机，用手机录制小球与摆球9碰撞的视频，导入视频分析软件，获得小球与摆球9碰撞前后的速度，由此可验证动能守恒定律。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多功能单摆实验仪，包括底板（11）、支架板（8）、白色背景板（17）、横梁（1）、量角器（3）和白色半圆板（4），其特征在于：所述支架板（8）固定连接在底板（11）的两侧，所述白色背景板（17）固定连接在底板（11）的后侧，且前侧与支架板（8）固定连接，所述横梁（1）固定连接在支架板（8）的顶部，所述横梁（1）的顶部设置有水平仪（15），所述量角器（3）和白色半圆板（4）均与横梁（1）固定连接，且量角器（3）与白色半圆板（4）大小相同。

2.根据权利要求1所述的一种多功能单摆实验仪，其特征在于：所述横梁（1）的内部开设有小孔，且小孔的内部固定连接有摆线固定条（14），所述横梁（1）前侧的左侧固定连接摆线微调旋钮（2），所述摆线微调旋钮（2）的表面缠绕有摆线（7），所述摆线（7）另一端贯穿小孔，并置于量角器（3）和白色半圆板（4）的中间，所述摆线（7）远离摆线微调旋钮（2）的一端连接有摆球（9）。

3.根据权利要求2所述的一种多功能单摆实验仪，其特征在于：所述量角器（3）和白色半圆板（4）对称设置在摆线固定条（14）的两侧，所述量角器（3）的前侧标有刻度，所述白色半圆板（4）中轴线位置粘贴有刻度尺（19）。

4.根据权利要求1所述的一种多功能单摆实验仪，其特征在于：所述横梁（1）的后侧活动连接有可转动杆（18），所述可转动杆（18）的内部螺纹连接有吊环螺丝钉，所述可转动杆（18）通过吊环螺丝钉（21）与横梁（1）活动连接，所述可转动杆（18）的底端套设有固定夹（20），所述固定夹（20）的顶部固定连接有电磁铁（10），所述固定夹（20）通过旋钮固定连接在可转动杆（18）上，所述可转动杆（18）的右侧固定连接有电源开关（13），所述电源开关（13）与电磁铁（10）单向电性连接，所述可转动杆（18）的后侧粘贴有电池盒（22）。

5.根据权利要求1所述的一种多功能单摆实验仪，其特征在于：所述底板（11）的顶部固定连接有轨道伸拉条（12），所述轨道伸拉条（12）的顶部固定连接有支撑框（16），所述支撑框（16）的顶部固定连接有斜轨（6），所述斜轨（6）的顶部活动连接有可移动小球释放夹（5）。

Images