CN110517564A - 单摆实验装置及单摆实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单摆实验装置及单摆实验方法，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，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。本发明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
本发明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及单摆实验方法。
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。
发明内容
本发明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；
本发明的另一目的是针对上述问题，提供一种基于上述单摆实验装置的单摆实验方法。
为达到上述目的，本发明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，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。
一种单摆实验装置的实验方法，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；
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；
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；
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。
本发明的优点在于：1、将量角器与刻度尺集成在实验装置上，在实验过程中直接进行摆幅测量和角度测量，使用方便快捷，提高实验效率；2、使用顶层滚动装置调节摆绳长度，具有调节方便简单等优点；3、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；4、通过检测装置对摆绳的摆动进行检测，不需要严格的人工计数和观测，减轻实验人员负担。
附图说明
图1是本发明单摆实验装置的结构示意图；
图2是本发明量角器的结构示意图；
图3是本发明图1中A部分的放大图；
图4是本发明轴心杆的结构示意图；
图5是本发明滚轴的结构示意图；
图6是本发明卡位板的结构示意图；
图7是本发明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发明做进一步详细的说明。
如图1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。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，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。
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。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，零刻度位于量角器5的最下端正中间，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。
如图3所示，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，所述调节单元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，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包括横截面呈圆形的滚轮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。如图4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5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所述滚轮16的安装孔13处，实验人员通过转动滚轮16调节摆绳2长度,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。
进一步地，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。
进一步地，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。
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。
进一步地，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。
优选地，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，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。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6所示，本实施例的卡位板61上具有多个卡扣62。
进一步地，如图7所示，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。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，记录时间由显示器81显示，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，利用控制器8串口功能分别记录每一次摆动的周期，以便于实验人员探究摆动周期和摆幅、摆锤、摆长的关系。
进一步地，具有标尺42中部轴向走线槽，控制器8放置在底座41上，控制器41余光敏传感器71和激光探头72之间的连接线分别嵌设在各自对应标尺42轴向走线槽中。
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发明精神作举例说明。本发明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，但并不会偏离本发明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发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
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，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。
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)。
10.一种单摆实验装置的实验方法，其特征在于，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；
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；
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；
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。
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