CN219958395U - 一种模拟万有引力的磁力实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟万有引力的磁力实验装置，属于物理演示教具技术领域，包括卡文迪许扭秤、磁力驱动装置和数据放大装置；卡文迪许扭秤包括悬吊架、T形连杆和悬吊丝，悬吊丝悬垂在悬吊架上，T形连杆包括横杆和与悬吊丝固连接的竖杆，横杆两端均固定有第一磁性球；驱动装置包括能够自转的U型支架，U型支架的两个支臂上固定有第二磁性球，第一磁性球位于第二磁性球的旋转路径上；数据放大装置包括反光镜、刻度尺和水平直射在反光镜上的入射光，反光镜固定在竖杆上，刻度尺的刻度线位于反射光的偏转路径上。利用磁吸力代替万有引力，能够降低外界环境的干扰和对实验器具本身精密程度的要求，解决传统课堂无法演示卡文迪许扭秤实验的问题。

Description

一种模拟万有引力的磁力实验装置

技术领域

本实用新型涉及物理演示教具技术领域，特别是涉及一种模拟万有引力的磁力实验装置。

背景技术

实验教学是物理教学的重要基础。一方面，通过实验可以导出问题，另一方面，学生通过实验可以掌握有关实验的基础知识、基本方法，培养实验技能和创新能力。万有引力知识点是高中力学中一个很重要知识点，通常是由卡文迪许扭秤实验来进行直观上的演示，现有卡文迪许实验的卡文迪许扭秤是由用两个质量一样的铅球分别放在扭秤的两端，扭秤中间用一根韧性很好的钢丝系在支架上，钢丝上有个小镜子，用准直的细光束照射镜子，细光束反射到一个很远的地方，标记下此时细光束所在刻度标尺上的点，接着用两个质量一样的铅球同时分别吸引扭秤上的两个铅球，由于万有引力作用，扭秤会发生微微偏转，细光束所反射在刻度尺上的点却移动了较大的距离，继而计算万有引力公式中的引力常数G，直观演示万有引力。但上述实验中因铅球与铅球之间作用的万有引力十分微小，演示效果不明显，另外此方法十分容易受到环境的干扰，因此对于实验器具和实验环境的要求都很高，一般学校的实验环境不允许做这么精密的实验，因此传统课堂在演示万有引力实验的时候，很多情况下都只能用视频或者动画来代替现场的卡文迪许扭秤实验。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述技术问题，提供一种模拟万有引力的磁力实验装置，利用磁性球之间的磁吸力代替万有引力，能够降低外界环境的干扰和对实验器具本身精密程度的要求，以解决传统课堂上无法开展演示卡文迪许扭秤实验，学生无法观察卡文迪许扭秤实验工作过程的问题，让学生对卡文迪许扭秤实验工作过程有更深入认识和理解，从而提高物理教师的课堂教学效率和学生的学习兴趣。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型公开了一种模拟万有引力的磁力实验装置，包括卡文迪许扭秤、磁力驱动装置以及数据放大装置；所述卡文迪许扭秤包括悬吊架、T形连杆以及能够扭转的悬吊丝，所述悬吊丝悬垂在所述悬吊架上，所述T形连杆包括与所述悬吊丝固定连接的竖杆和固定在所述竖杆底端的横杆，所述横杆两端均固定连接有第一磁性球；所述驱动装置包括能够自转的U型支架，所述U型支架的两个支臂竖向设置，所述支臂上固定连接有用于磁力吸引所述第一磁性球的第二磁性球，所述第一磁性球位于所述第二磁性球的旋转路径上；所述数据放大装置包括反光镜、入射光以及横向设置的刻度尺，所述反光镜竖向固定连接在所述竖杆上，所述入射光水平直射在所述反光镜上，所述刻度尺的刻度线位于转动过程中的所述反光镜产生的反射光偏转路径上。

优选地，所述悬吊架包括悬吊底座、竖向固定连接在所述悬吊底座上的支撑杆以及横向固定在所述支撑杆顶部的悬臂杆，所述悬吊丝的一端与所述竖杆的顶端固定连接，所述悬吊丝的另一端与所述悬臂杆固定连接。

优选地，所述反光镜固定连接在所述竖杆的顶端。

优选地，所述支撑杆上固定连接有用于发射所述入射光的激光器。

优选地，所述驱动装置包括转动底座和高度可调的转轴，所述转轴的一端转动连接在所述转动底座上，所述转轴的另一端与所述U型支架的中部固定连接。

优选地，所述数据放大装置包括支撑底座，所述支撑底座上竖向固定连接有高度可调的安装杆，所述刻度尺安装在所述安装杆的顶部。

优选地，所述第一磁性球和所述第二磁性球包括空心球壳和固定在所述空心球壳中心的磁铁。

优选地，所述悬吊丝为镍铬合金丝。

优选地，所述T形连杆为碳纤细杆。

优选地，所述刻度尺为毫米尺。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型的中利用磁性球之间相互吸引力，模拟万有引力，磁性吸力对于外界干扰具有足够的抵抗力，因此能够有效降低仪器精密度和外界环境的干扰，满足传统课堂的需求，通过改变磁性球间距离，从而改变磁性球间的相互作用力，也就是改变模拟的万有引力，物体间作用力改变，使悬吊丝扭转，通过反光镜和光源来放大扭转距离，结合悬吊丝的扭转角度和对应的力的大小关系，从而算出模拟万有引力的大小，帮助初学万有引力的学生理解卡文迪许扭秤实验原理，此装置主要目的是定性模拟卡文迪许扭秤测量万有引力，不需要定量测量，因而只要第一磁性球和第二磁性球距离变化，悬吊丝扭转角度发生变化，通过刻度尺上反射光的位置变化，明显地反映出两球的相互吸引(模拟出万有引力)，帮助学生理解文迪许扭秤实验原理即可。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为磁力实验装置的结构关系图；

图2为磁性球的内部结构图。

附图标记说明：1、悬吊底座；2、支撑杆；3、悬臂杆；4、激光器；5、悬吊丝；6、竖杆；7、横杆；8、反光镜；9、第一磁性球；10、第二磁性球；11、U型支架；12、转轴；13、转动底座；14、支撑底座；15、安装杆；16、刻度尺；17、入射光；18、反射光；19、空心球壳；20、磁铁；21、连接件。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例提供了一种模拟万有引力的磁力实验装置，如图1至图2所示，包括卡文迪许扭秤、磁力驱动装置以及数据放大装置。

卡文迪许扭秤包括悬吊架、T形连杆以及悬吊丝5，悬吊丝5悬垂在悬吊架上且能够扭转。T形连杆包括竖杆6和横杆7，竖杆6与悬吊丝5固定连接，竖杆6的底端与横杆7的中心固定连接，保证横杆7的两端距离竖杆6的长度相同，横杆7两端各固定连接有一个第一磁性球9，组成一对第一磁性球9。

驱动装置包括能够自转的U型支架11，U型支架11的两个支臂竖向设置。两个支臂上各固定连接有一个第二磁性球10，组成一对第二磁性球10。第二磁性球10能够磁力吸引第一磁性球9，第一磁性球9位于第二磁性球10的旋转路径上，即第二磁性球10和第一磁性球9处于同一水平高度，当转动U型支架11时，两个第二磁性球10能够随着U型支架11各自靠近或远离其邻近的第一磁性球9。

当第二磁性球10靠近第一磁性球9一定程度时，便会吸引第一磁性球9向第二磁性球10移动，然后两个第一磁性球9同向、同步移动，继而驱动横杆7和竖杆6发生自转，以扭转悬吊丝5。

数据放大装置包括反光镜8、入射光17以及刻度尺16，反光镜8竖向固定连接在竖杆6上。入射光17水平直射在反光镜8上，能够在反光镜8上产生水平直射的反射光18，入射光17和反射光18处于同一平面内。当竖杆6发生自转时，反光镜8会随着竖杆6一同转动，继而使反射光18发生偏转。刻度尺16横向设置，刻度尺16的刻度线位于转动过程中的反光镜8产生的反射光18的偏转路径上，使得反光镜8转动时，反射光18会始终直射在刻度线上，并沿着刻度线延伸方向移动，以便观察前后反射光18移动变化数值大小，继而得到反射光18的偏转角度，得到反光镜8的偏转角度，因为反光镜8的偏转角度等于竖杆6的扭转角度，竖杆6的扭转角度等于悬吊丝5的扭转角度，继而最终得到悬吊丝5的扭转角度。

此装置在于定性模拟卡文迪许扭秤测量万有引力，无需定量测量万有引力常数G，因而只要第一磁性球9和第二磁性球10两球距离变化，悬吊丝5扭转角度发生变化，直观体现万有引力存在即可。具体操作时，第一磁性球9和第二磁性球10的距离大，两球相互作用力小，悬吊丝的扭转角度小，扭转产生的力偶矩也小；当第一磁性球9和第二磁性球10的距离变小时，两球之间的相互作用力增大，悬吊丝5的扭转角度也增大，扭转产生的力偶矩也增大。查阅文献已经知道两磁体之间的距离越近，相互之间的吸引力越大，即通过观察两球体距离变化引起悬吊丝5的扭转角度的大小变化来理解卡文迪许扭秤实验原理。

具体的，结合公式：M＝πGR4ψ/2L，其中R为悬吊丝5的半径，L为悬吊丝5的长度，G为切变模量，ψ为悬吊丝5的扭转角，M横杆7产生扭转力偶矩M。可以看出扭转角度ψ越大，扭转力偶矩M也越大，进而模拟卡文迪许扭秤实验。

本实施例中，如图1至图2所示，悬吊架包括悬吊底座1、支撑杆2以及悬臂杆3，支撑杆2竖向固定连接在悬吊底座1上，悬臂杆3横向固定在支撑杆2的顶部。悬吊丝5的一端与竖杆6的顶端固定连接，悬吊丝5的另一端与悬臂杆3固定连接。

进一步，本实施例中，如图1至图2所示，反光镜8固定连接在竖杆6的顶端。

进一步，本实施例中，如图1至图2所示，支撑杆2上固定连接有激光器4，激光器4水平设置并朝向反光镜8，用于水平发射入射光17。

本实施例中，如图1至图2所示，驱动装置包括转动底座13和转轴12，转轴12的一端转动连接在转动底座13上，具体的可通过轴承转动连接在转动底座13上。转轴12的另一端与U型支架11的中部固定连接。用手拨动U型支架11，即可使其旋转，使第二磁性球10远离或靠近第一磁性球9。转轴12的高度可调，继而方便调节第二磁性球10的高度，具体调节方式采用现有调节方式即可，如设置成伸缩式管的转轴12，内管和外管通过螺丝松紧，松开后可进行抽拉，锁上便可锁紧，内管和外管也可以采用螺纹连接方式，转动内管和外管，即可伸长和缩短。

本实施例中，如图1至图2所示，数据放大装置包括支撑底座14，支撑底座14上竖向固定连接有安装杆15，刻度尺16安装在安装杆15的顶部。安装杆15的高度可调，继而方便调节刻度尺16的高度，具体调节方式可参上上面的转轴12的设置方式。

本实施例中，如图1至图2所示，第一磁性球9和第二磁性球10均包括空心球壳19和固定在空心球壳19中心的磁铁20。具体的磁铁20可通过连接件21固定在空心球壳19的中心。空心球壳19可为乒乓球，也可为其他样式的塑料小球、皮球等等。采用空心球壳19加磁铁20的方式，相较于直接采用实心磁铁球，重量大幅降低，可降低悬吊架的的规格要求。

本实施例中，如图1至图2所示，悬吊丝5为镍铬合金丝。当然镍铬合金丝只是最为优选的材料，其他有合适的材料也同样可以，如钢丝。

本实施例中，如图1至图2所示，T形连杆为碳纤细杆，质量轻、结构强度高。

本实施例中，如图1至图2所示，刻度尺16为毫米尺。

本实施例中，如图1至图2所示，以下提供一种具体数值的模拟万有引力的磁力实验装置作为制作参考：

其中悬吊底座1的长*宽为200mm*150mm；

支撑杆2的长度为600mm；

悬臂杆3的长度为400mm，悬臂杆3距离其末端10mm处悬挂悬吊丝5；

悬吊丝5长为200mm，半径为0.2mm，悬吊丝5为镍铬合金丝；

T形连杆的竖杆6长为200mm，横杆7长为300mm，直径为3～5mm；

反光镜8为矩形状，其长*宽为30mm*20mm，反光镜8的长边竖向，宽边横向；

第一磁性球9和第二磁性球10均采用乒乓球，其内置直径为8～12mm，优选10mm，厚为3mm左右的强磁铁；第一磁性球9和第二磁性球10的乒乓球内固定强磁块前先测试，确保异名磁极相互靠近，并在第一磁性球9和第二磁性球10的乒乓球外表面靠近侧作好标记，利用强磁铁的相互吸引，模拟万有引力；

刻度尺16为毫米刻度尺，根据光的反射定律，刻度尺16的上表面与入射光17、法线和反射光18在同一平面，用以观察测量第一磁性球9的转动情况。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种模拟万有引力的磁力实验装置，其特征在于，包括卡文迪许扭秤、磁力驱动装置以及数据放大装置；所述卡文迪许扭秤包括悬吊架、T形连杆以及能够扭转的悬吊丝，所述悬吊丝悬垂在所述悬吊架上，所述T形连杆包括与所述悬吊丝固定连接的竖杆和固定在所述竖杆底端的横杆，所述横杆两端均固定连接有第一磁性球；所述驱动装置包括能够自转的U型支架，所述U型支架的两个支臂竖向设置，所述支臂上固定连接有用于磁力吸引所述第一磁性球的第二磁性球，所述第一磁性球位于所述第二磁性球的旋转路径上；所述数据放大装置包括反光镜、入射光以及横向设置的刻度尺，所述反光镜竖向固定连接在所述竖杆上，所述入射光水平直射在所述反光镜上，所述刻度尺的刻度线位于转动过程中的所述反光镜产生的反射光偏转路径上。

2.根据权利要求1所述的一种模拟万有引力的磁力实验装置，其特征在于，所述悬吊架包括悬吊底座、竖向固定连接在所述悬吊底座上的支撑杆以及横向固定在所述支撑杆顶部的悬臂杆，所述悬吊丝的一端与所述竖杆的顶端固定连接，所述悬吊丝的另一端与所述悬臂杆固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种模拟万有引力的磁力实验装置，其特征在于，所述反光镜固定连接在所述竖杆的顶端。

4.根据权利要求3所述的一种模拟万有引力的磁力实验装置，其特征在于，所述支撑杆上固定连接有用于发射所述入射光的激光器。

5.根据权利要求1所述的一种模拟万有引力的磁力实验装置，其特征在于，所述驱动装置包括转动底座和高度可调的转轴，所述转轴的一端转动连接在所述转动底座上，所述转轴的另一端与所述U型支架的中部固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种模拟万有引力的磁力实验装置，其特征在于，所述数据放大装置包括支撑底座，所述支撑底座上竖向固定连接有高度可调的安装杆，所述刻度尺安装在所述安装杆的顶部。

7.根据权利要求1所述的一种模拟万有引力的磁力实验装置，其特征在于，所述第一磁性球和所述第二磁性球包括空心球壳和固定在所述空心球壳中心的磁铁。

8.根据权利要求7所述的一种模拟万有引力的磁力实验装置，其特征在于，所述悬吊丝为镍铬合金丝。

9.根据权利要求8所述的一种模拟万有引力的磁力实验装置，其特征在于，所述T形连杆为碳纤细杆。

10.根据权利要求8所述的一种模拟万有引力的磁力实验装置，其特征在于，所述刻度尺为毫米尺。