一种定量探究单摆周期影响因素的实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种定量探究单摆周期影响因素的实验装置，应用在教育实验设备技术领域。


背景技术：

2.《单摆》是高中物理鲁科版选修教材内容，本节内容安排在《简谐运动》之后，属于简谐运动的具体应用实例，即为巩固简谐运动的规律及特点起了很重要的作用，也为共振学习打下基础，起承上的作用；当前教材研究单摆周期影响因素实验仪器较简便，但存在以下不足：
3.①
分别通过两组对比性实验，定性研究单摆摆动的周期t与质量m、摆角θ及摆长l的关系，实验过程中测量摆长l的次数较多、不同质量m的摆球更换比较麻烦，占用了大量的探究时间；
4.②
通过摆球摆动30
‑
50个周期的方法多次测量求平均值来减少测量周期t的误差，耗时长且人为控制秒表计时产生的相对误差仍然会较大；
5.③
因受到空间或设备条件的限制，我们无法在不同纬度或不同高度进行实验对比，就算突破空间的限制，实验效果也不理想，因为在地球上各地重力加速度g的数值相差不多，无法研究周期t与重力加速度g的关系，导致实验结果缺乏完整性和严谨性。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种定量探究单摆周期影响因素的实验装置，能够定量探究单摆周期t与质量m、摆长l、摆角、重力加速度g的关系，减少实验数据的误差，有效提高了实验效率且使实验具备完整性。
7.本实用新型的技术方案如下：
8.一种定量探究单摆周期影响因素的实验装置，包括底座，底座的顶部面上设置有支架和电磁铁，支架的顶部开设有通孔，通孔的右端设置有连接管，连接管上设置有量角器，通孔内设置有第一摆线，第一摆线的右端头穿过连接管和量角器并固定连接有第一摆球，第一摆球上可拆卸地连接有球套，第一摆线的左端为自由端，第一摆线的自由端设置有指针并通过设置在支架左侧壁的线卡进行固定，支架的前壁面上分别设置有刻度线、微力传感器和第二固定条，第二固定条上可拆卸连接有第二光电门，微力传感器设置在电磁铁的上部，微力传感器的底部设置有第二摆线，第二摆线的底部设置有第二摆球；支架的右侧壁上设置有第一固定条，第一固定条上可拆卸连接有第一光电门。
9.所述底座为长方型结构，底座的顶部面上固定设置有长条型支架，支架设置在底座顶部面的中心，支架的底部面与底座的顶部面不可拆卸连接。
10.所述支架的前侧设置有电磁铁，电磁铁固定在底座的顶部面上，电磁铁连接有可调压电源，底座上设置有用于控制电磁铁的开关。
11.所述电磁铁的正上方设置有微力传感器，微力传感器固定在支架的前壁面上，微
力传感器的底部与第二摆线的顶部固定连接，第二摆线的底部固定连接有第二摆球。
12.所述电磁铁和微力传感器之间设置有第二固定条，第二固定条与支架的前壁面不可拆卸连接；支架的右侧壁与第一固定条不可拆卸连接，第一固定条从量角器的下方延伸到支架的底部。
13.所述第一光电门和第二光电门均为u型结构，第一光电门和第二光电门的外侧壁上均固定有磁性螺丝，第一光电门和第二光电门通过设置磁性螺丝分别与第一固定条和第二固定条连接，第一光电门和第二光电门均电性连接计算机。
14.所述第一固定条和第二固定条均为长条型结构，第一固定条和第二固定条具体为条形铁片。
15.所述连接管为有机玻璃管，连接管的左端与支架上的通孔固定连接，连接管的右端用于承接量角器，连接管的右端头贯穿量角器的中心与量角器不可拆卸连接，连接管的右端头螺纹连接有旋钮。
16.所述球套为球形结构，球套与第一摆球的球心相同，球套的内壁直径与第一摆球的外壁面直径相吻合，球套具体由不同密度的橡皮泥与沙子混合而成或由不同密度的金属材料制成。
17.本实用新型具有如下有益效果：
18.1、本实用新型在使用时，通过拉动第一摆线的自由端即可控制第一摆线的长度，通过支架侧壁的刻度线与第一摆线自由端的指针配合进行读数，能够随时调整第一摆线的长度，免去了传统实验操作的多次测量，而摆球质量的变化可通过加装球套进行调节，节约了大量的探究时间。
19.2、利用本实用新型提供的第一光电门和第二光电门，在第一摆球和第二摆球经过时有效完成精确的计时工作，而且第一光电门和第二光电门分别与第一固定条和第二固定条可拆卸连接，使得第一光电门和第二光电门在使用时可以快速随意改变位置，便于调整第一光电门和第二光电门的高度以及开口方向，提高单摆周期t的测量精度和仪器的可操作性。
20.3、本实用新型提供的电磁铁通过其连接的可调压电源进行控制，利用电磁铁的磁场变化模拟等效重力场的变化，通过可调压电源调节电磁铁的电流进而改变模拟重力加速度g’，实现了周期t与重力加速度g关系的研究，使得实验结果更加完整和严谨。
21.4、本实用新型巧妙设计快速改变及精确测量摆长l的装置，既能考查课标要求的测量摆长l的方法，又巧妙快速、精确地测量摆长l，无需多次重复机械式测量摆长l的操作，利用第一光电门和第二光电门替代停表测量周期t，精度高，摆动2
‑
3次即可精确获取单摆的周期t，操作简单，节约大量时间，让学生有更多的时间和精力用于科学探究和创新活动，提高课堂效率。
附图说明
22.图1为本实用新型的结构示意图；
23.图中附图标记表示为：
24.1、支架；2、第一摆线；3、刻度线；4、微力传感器；5、第二摆线；6、第二光电门；7、线卡；8、第二摆球；9、电磁铁；10、底座；11、开关；12、可调压电源；13、第二固定条；14、第一固
定条；15、球套；16、第一光电门；17、第一摆球；18、量角器；19、连接管；20、旋钮。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例来对本实用新型进行详细的说明。
26.参见图1所述的一种定量探究单摆周期影响因素的实验装置，包括底座10，底座10的顶部面上设置有支架1和电磁铁9，支架1的顶部开设有通孔，通孔的右端设置有连接管19，连接管19上设置有量角器18，通孔内设置有第一摆线2，第一摆线2的右端头穿过连接管19和量角器18并固定连接有第一摆球17，第一摆球17上可拆卸地连接有球套15，第一摆线2的左端为自由端，第一摆线2的自由端设置有指针并通过设置在支架1左侧壁的线卡7进行固定，支架1的前壁面上分别设置有刻度线3、微力传感器4和第二固定条13，第二固定条13上可拆卸连接有第二光电门6，微力传感器4设置在电磁铁9的上部，微力传感器4的底部设置有第二摆线5，第二摆线5的底部设置有第二摆球8；支架1的右侧壁上设置有第一固定条14，第一固定条14上可拆卸连接有第一光电门16。
27.所述底座10为长方型结构，底座10的顶部面上固定设置有长条型支架1，支架1设置在底座10顶部面的中心，支架1的底部面与底座10的顶部面不可拆卸连接。
28.所述支架1的前侧设置有电磁铁9，电磁铁9固定在底座10的顶部面上，电磁铁9连接有可调压电源12，底座10上设置有用于控制电磁铁9的开关11。
29.所述电磁铁9的正上方设置有微力传感器4，微力传感器4固定在支架1的前壁面上，微力传感器4的底部与第二摆线5的顶部固定连接，第二摆线5的底部固定连接有第二摆球8。
30.所述电磁铁9和微力传感器4之间设置有第二固定条13，第二固定条13与支架1的前壁面不可拆卸连接；支架1的右侧壁与第一固定条14不可拆卸连接，第一固定条14从量角器18的下方延伸到支架1的底部。
31.所述第一光电门16和第二光电门6均为u型结构，第一光电门16和第二光电门6的外侧壁上均固定有磁性螺丝，第一光电门16和第二光电门6通过设置磁性螺丝分别与第一固定条14和第二固定条13连接，第一光电门16和第二光电门6均电性连接计算机。
32.所述第一固定条14和第二固定条13均为长条型结构，第一固定条14和第二固定条13具体为条形铁片。
33.所述连接管19为有机玻璃管，连接管19的左端与支架1上的通孔固定连接，连接管19的右端用于承接量角器18，连接管19的右端头贯穿量角器18的中心与量角器18不可拆卸连接，连接管19的右端头螺纹连接有用于固定第一摆线2的旋钮20，避免第一摆线2在实验的过程中滑动。
34.所述球套15为球形结构，球套15与第一摆球17的球心相同，球套15的内壁直径与第一摆球17的外壁面直径相吻合，球套15具体由不同密度的橡皮泥与沙子混合而成或由不同密度的金属材料制成。
35.本实用新型的工作原理：
36.使用本实用新型时，首先，组装好实验器材，利用教材上的实验方法进行操作，当需要以摆长l作为变量进行实验研究时，通过拉动第一摆线2的自由端对其摆长进行调整，调整过程中通过第一摆线2上的固定的指针与支架1上的刻度线3配合进行读数，摆长调整
完毕通过线卡7将第一摆线2的自由端进行固定，然后第一光电门16在第一固定条14上进行移动，使得第一光电门16的开口朝上，第一摆线2的另一端穿过连接管19向下，其尾部固定的第一摆球17刚好落在第一光电门16内部；当需要以摆角θ作为变量进行实验研究时，在摆长l不变的情况下进一步将第一摆球17拉到摆角5
°
的地方静止释放，摆角可通过量角器18直接进行读数，量角器18具体为自制的大型量角器(刻度范围为0到60度)，使用时读数更加清晰和精确，第一光电门16将第一摆球17摆动时的计时数据传输到计算机，操作人员记录单摆的摆角θ和摆动的周期t，然后不断减少摆角θ值，重复多次实验，分别记录摆角θ及摆动的周期t，最终通过多组实验数据进行分析，量角器18有利于精确控制摆角θ，对研究单摆周期t的影响因素等起到非常重要的作用，操作简单方便，数据更科学，更有说服力；当需要以第一摆球17的质量m作为变量进行实验研究时，将不同重量的球套15套在第一摆球17的外部，进一步通过第一摆球17的摆动进行多次实验，记录第一摆球17的质量m和摆动的周期；当需要以重力加速度g作为变量进行实验研究时，将电磁铁9的两极上下放置，打开底座10上的开关11，进一步通过改变可调压电源12的电流对电磁铁9进行电流调节以改变磁场的强弱,用“磁场 重力场”模拟等效重力场来改变等效重力加速度g’,将第二摆线5系在竖直固定的微力传感器4的挂钩上，将第二光电门6在第二固定条13上进行移动，使得第二摆球8位于第二光电门6的内部，用天平测量出第二摆球8的质量m，用微力传感器4测量出第二摆球8在该模拟重力场中的重力g’，根据g＝g/m可达到模拟重力场的重力加速度g’，用第二光电门6测量出单摆的周期，就可以探究单摆的周期t与等效重力加速度g’的关系，从而感悟出单摆的周期与重力加速度的关系；在通过以上不同变量的操作实验，能够定量探究单摆周期t与质量m、摆长l、摆角、重力加速度g的关系，减少实验数据的误差，有效提高了实验效率且使实验具备完整性；利用以上实验方法随机变换摆长l及模拟重力加速度g’，再利用第一光电门或第二光电门分别测量同期单摆周期t，根据算出比例系数的平均值在误差允许范围内，即得到单摆周期的公式
37.以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。