专利名称：弹簧振子振动图像描绘器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及教学实验仪器，尤其涉及一种弹簧振子振动图像描绘器。
背景技术：
在中学物理教学中，以弹簧振子作模型，描绘出弹簧振子的振动曲线，根据振动曲线来研究简谐振动的规律、演示弹簧振子运动现象和验证其周期公式等。最初的测绘振动曲线的方法为使弹簧振子振动起来，同时实验教师通过手动方式使记录纸前进，通过记录笔在记录纸上绘出振动曲线。以上描绘振动曲线的方法存在以下不足人工牵引记录纸前迸、不但费力，而且记录纸的前进速度不稳定，致使所描绘出的曲线的准确性差；实验操作烦琐，现有的弹簧振 子，还需要另外配备与之相适应的气源、连接气管、接ロ等，測量振子的振动周期还需使用计时器(如秒表等)。在中国专利号为ZL2004200797650、授权公告日为2005年10月19日、名称为“弹簧振子简谐振动实验仪”的专利文献中设计出了一种可以克服上述问题的振动图像描绘仪器。该专利中的描绘器包括底座、进纸装置和弹簧振子装置；进纸装置包括设置于底座上的进纸轴承、进纸轴、驱动进纸轴用的电机和设置在进纸轴上的同进纸轴承相配套的驱纸胶轮；弹簧振子装置包括气垫导轨、弹簧、振子球和气泵，弹簧一端连接在气垫导轨左端的支柱上、另一端连接在气垫导轨上的滑块上，振子球固定在滑块上，记录笔旋固于振子球下部，气泵同气垫导轨连接。使用时，使记录纸从气垫导轨的下方穿过后再穿设在驱纸胶轮和进纸轴承之间，马达驱动进纸轴匀速转动，进纸轴驱动进纸胶轮转动，进纸胶轮通过摩擦力带动记录纸前进，弹簧振子产生振动的过程中带动记录笔同步运动，记录笔在记录纸上画出振动曲线。该专利虽然通过设计气泵和以电机进行驱动的进纸装置解决了上述描绘振动曲线的方法过程中所存在的不足。但是该专利还存在以下不足用于描绘图像的过程中，记录笔同记录纸之间有接触，记录笔在记录纸上运动的过程中会产生阻力，该阻カ会造成记录纸前行不平稳和影响弹簧振子的振动，导致所绘出的曲线不能准确反应出弹簧振子的振动情况，即图像的准确性差；计算振子从一点运行到另一点所耗用的时间(以T表示)时，只能首先测出两点之间沿走纸方向的距离(以S表示)，然后根据电机的转速及走纸胶轮的直径推算出走纸胶轮的最外周的线速度(该线速度即为记录纸的前进速度，以V表示)，根据公式T=S/v，计算出时间T，但是在測量S时，线条的粗细不同及不同的人读数的差异，导致随机误差较大，另外在使用过程中，进纸胶轮会产生磨损导致直径改变，从而使得V存在较大的偏差；故通过该振动曲线不能准确地验证相关的物理理论如弹簧振动周期同振子的质量及弾性系数之间的关系。
实用新型内容本实用新型提供了ー种能准确地描绘出弹簧振子的振动曲线且能方便准确地获得弹簧振子从ー个位置运行到另ー个位置时所耗用的时长的弹簧振子振动图像描绘器，解决了现有的实验仪器不能准确地描绘出弹簧振子的振动曲线且不能方便准确地获得弹簧振子从ー个位置运行到另ー个位置所耗用的时长、导致不能通过实验所得的振动曲线去准确验证相关的物理理论的问题。以上技术问题是通过下列技术方案解决的一种弹簧振子振动图像描绘器，包括机架，气泵，设置在机架上的走纸装置和弹簧振子装置，所述弹簧振子装置包括气垫导轨、位于气垫导轨上的振子滑块和驱动振子滑块振动的振子弹簧，所述气垫导轨通过所述气泵 供气，其特征在干，还包括电火花激发热敏纸装置和纸筒支撑架，所述电火花激发热敏纸装置包括高压脉冲装置、放电针和电极板，所述放电针和电极板同所述高压脉冲装置电连接在一起，所述放电针固接在所述振子滑块上，所述电极板同所述机架相固接。使用时，将本实用新型放置在实验台上且尽量使气垫导轨保持水平，热敏纸筒固定在纸筒支撑架上，热敏纸先从电极板和放电针之间穿过，然后引入到走纸装置上，启动气泵给气垫导轨供气，当振子滑块从气垫导轨上浮起后，沿着气垫导轨的轴向使振子滑动位移一段距离，释放振子滑块，在振子弹簧的作用下，振子滑块在气垫导轨上方作往复运动即振动，当振子滑块振动平稳后，启动走纸装置和高压脉冲装置，走纸装置牵引热敏纸作匀速运动，加在电极板和放电针上的由高压脉冲装置所产生的高压脉冲电击穿空气间隙和热敏纸放电而产生电火花，电火花所释放出的热量使得从电极板和放电针间匀速通过的热敏纸对齐放电针的部位受热而变色，在热敏纸上产生清晰的黑色色斑，这些色斑记录下的就是振子滑块的运动轨迹。热敏纸行进过程中不与放电针接触。作为优选，所述机架上设有电极板槽，所述电极板容置并固接在所述极板槽内。使用时热敏纸从电极板槽上绕过，隔离在放电针和电极板之间，热敏纸前行的过程中只会同电极板槽接触而不与电极板和放电针接触，放电时产生的热量能及时散失掉，有利于电极保持较好的“冷扱”状态，以延长电极的使用寿命。电极板容置在电极板槽内，对电极板有保护作用，电极板表面不易积尘而影响放电性能。作为优选，本实用新型包括用于调节所述电极板与所述放电针之间的距离的双头螺纹杆，所述导向杆通过所述双头螺纹杆同所述机架连接。通过转动双头螺纹杆而改变导向杆的位置，导向杆带动电极板一起运动，使得电极板同放电针之间的距离产生改变。通过改变电极板和放电针之间的距离，使热敏纸上的黒点的大小产生改变，以调节描绘出的图像的清晰度。作为优选，本实用新型包括刃部朝下的裁纸刀条。使用时通过向上拉热敏纸，刀条的刃部将热敏纸切断。提高了使用时的方便性。作为优选，所述机架上设有两个刀条安装槽，所述裁纸刀条的两端搁置在所述两个刀条安装槽内，所述裁纸刀条的两端设有插槽，所述刀条安装槽内设有插销，所述插销插在所述插槽内。将裁纸刀条固定到机架的过程为先将裁纸刀条的两端搁置在刀条安装槽内，然后将插销存在插槽内即可。安装裁纸刀条时方便。作为优选，所述插销穿设在所述刀条安装槽的槽壁上，所述插销上设有复位弹簧，所述插销的朝向所述裁纸刀条的一端的端面同侧面之间设有倒角。取下裁纸刀条的方法为朝远离裁纸刀条的方向按压插销使插销向机架内收缩，当倒角位于裁纸刀条的端部上时，朝刀条安装槽的槽ロ方向移动裁纸刀条，此时裁纸刀条能够将自动将插销挤压开，当裁纸刀条取出后，在复位弹簧的作用下，插销自动复位。拆卸裁纸刀条时轻松省力方便。作为优选，本实用新型包括位于电极板进纸侧的吸风管，所述吸风管的侧壁上设有沿吸附管轴向延伸的进风缝隙，所述气泵的进气端同所述吸风管相连通。当启动气泵给气垫导轨供气时，气泵同时对吸风管内部进行抽气，走纸装置牵引热敏纸行走的过程中，热敏纸位于进风缝隙的前方，吸风管将热敏纸吸附住，热敏纸处于张紧状态，热敏纸经过放电针时的速度保持恒定，描绘出的图像的准确性好。作为优选，所述吸风管内设有风ロ长度调节板。使用时通过沿吸风管的轴向移动风ロ长度调节板的位置，来改变进风缝隙的有风进入部位的长度，使该长度同热敏纸的纸幅相匹配，使吸风管能将不同纸幅的热敏纸吸附住，提高了通用性和适应性。作为优选，本实用新型包括振子弹簧长度分割机构，所述振子弹簧长度分割机构 包括设有插孔的底座和可拔插地插接在底座的插孔内的叉头。使用吋，使叉头卡在振子弹簧上并插接在底座上，来改振子弹簧能够作用于振子滑块的长度，也即改变弹簧的弾性系数。以实现只要一根已知弹性系数的弹簧就能方便地通过所描绘出的图像来分析振动周期随弹性系数进行改变的函数关系。作为优选，所述机架上设有沿气垫导轨轴向延伸的滑轨，所述底座上设有同所述滑轨相配套的滑槽，所述底座通过所述滑槽配合所述滑轨连接在所述机架上，所述底座上还设有锁紧螺钉。能方便地通过沿着滑轨移动底座的位置来选取所需的弹性系数。当底座移动到所需的位置后通过锁紧螺钉来将底座固定在机架上。本实用新型具有下述优点，通过高压放电的方式来非接触地描绘出振动图像，因此绘图动作不会对弹簧振子的振动造成干扰，故描绘出的图像的准确性高；由于电火花激发热敏纸装置中的高压脉冲装置所产生的脉冲是已知的，通过振动图像ー个周期内的色点的个数就可以得知弹簧振子的振动周期，因此通过本实用新型所描绘出的图像能够准确地验证相关的物理理论如弹簧振动周期同振子的质量及弾性系数之间的关系，实验性强；使用过程中是通过电火花直接激发热敏纸而产生色点，色点不会产生顔色深浅的变化，绘图时方便实用简単。
图I为本实用新型实施例一的立体结构示意图。图2为图I的A—A截面不意图。图3为图I的B处的局部放大示意图。图4为图3的C一C截面不意图。图5为本实用新型的电火花激发热敏纸装置的电路框图。图6为实施例一的使用状态示意图。图7为本实用新型实施例ニ的A— A截面示意图。图8为图6中的E处的放大示意图。图9为图7的F—F截面不意图。图10为实施例ニ的使用状态示意图。图11为本实用新型实施例三的弹簧振子装置的分体状态示意图。图中机架1，电极板槽11，气源开关12，图像扫描开关13，刀条安装槽14，插销15，倒角151，复位弹簧16，滑轨17，走纸装置2，进纸辊21，电机22，弹簧振子装置3，气垫导轨31，振子弹簧32，振子滑块33，气泵34，电火花激发热敏纸装置4，放电针41，电极板42，高压脉冲装置43，开关电路431，升压电路432，纸筒支撑架5，裁纸刀条6，插槽61，台阶面611，热敏纸卷7，热敏纸71，双头螺纹杆8，吸风管9，出风ロ 91，风ロ长度调节板92，手柄93，进风缝隙94，振子弹簧长度分割机构10，底座101，叉头102，插孔103，锁紧螺钉104。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本实用新型作进ー步的说明。实施例一，參见图1，一种弹簧振子振动图像描绘器，包括机架1，走纸装置2和弹簧振子装置3和纸筒支撑架5。机架I上设有裁纸刀条6。裁纸刀条6位于走纸装置2的左侧即出纸侧。走纸装置2包括两根进纸辊21和驱动进纸辊21的电机22。进纸辊21的前后两端转动连接在机架I上。电机22位于机架I的内部。电机22用于驱动进纸辊21转动。弹簧振子装置3包括气垫导轨31、振子弹簧32和位于气垫导轨31上的振子滑块33。振子弹簧32的前端固接在机架I上，振子弹簧32的后端同振子滑块33固接在一起。纸筒支撑架5为杆状结构。纸筒支撑架5的前后两端转动连接在机架I上。热敏纸卷7套设在纸筒支撑架5上。机架I上设有电极板槽11。导向杆11的前后两端固接在机架I上。导向杆11位于纸筒支撑架5的下方。在振子滑块33上设有放电针41。在机架I的前端右侧部位设有ー个气源开关12和ー个图像扫描开关13。电机22的启动与停止通过图像扫描开关13进行控制。參见图2，极板板槽11内容纳并固接有电极板42。放电针41朝向电极板42。在机架I内安装有高压脉冲装置43。放电针41、电极板42和高压脉冲装置43三者构成电火花激发热敏纸装置4。高压脉冲装置43的工作与停止通过图像扫描开关13 (參见图I)控制。机架I内安装有气泵34。气泵34的启动与停止通过气源开关12 (參见图I)控制。气泵34用于给气垫导轨31供气。參见图3，裁纸刀条6的刃部是朝下的。裁纸刀条6的上侧面的两端设有插槽61，位于裁纸刀条两端的插槽61沿裁纸刀条的轴向贯通为一体。插槽61内设有台阶面611。机架I上设有两个刀条安装槽14，两个刀条安装槽14对向设置在机架I的前后侧上。刀条安装槽14的开ロ朝上。刀条安装槽14内设有插销15。插销15的朝向裁纸刀条6的一端的端面同插销的侧面之间设有倒角151。裁纸刀条6的前后两端各搁置在一个刀条安装槽14内。插销15插在插槽61内。倒角151抵接在台阶面611上。參见图4，机架I的前后壁都为壳状结构。插销15穿设在刀条安装槽14的槽壁上。插销14的内端上设有复位弹簧16。[0051]将裁纸刀条6从机架I上取下的方法为沿裁纸刀条6的轴向向远离裁纸刀条6的方向挤压插销15，使插销15向机架I的内部收缩，当倒角151位于裁纸刀条6的端部上吋，向上提起裁纸刀 条6，此时裁纸刀条6即能够将自动将插销15挤压开，当裁纸刀条6取出后，在复位弹簧16的作用下，插销15自动从机架I内伸出即复位。安装裁纸刀条6的方法同拆卸的方法类似，在此不再作说明。參见图5，高压脉冲装置43包括开关电路431和升压电路432。放电针41同升压电路431的两个输出端子中的正极电连接在一起。电极板42同升压电路431的两个输出端子中的负极电连接在一起。參见图6、參见图5和图I，本实用新型的使用方法为使热敏纸卷7套设在纸筒支撑架5上，热敏纸71先从导向杆11的下方穿过，然后进入两根进纸辊21之间，通过气源开关12启动气泵34工作，气泵34所产生的气体输送给气垫导轨31后将振子滑块33浮起，使振子滑块33沿气垫导轨31的轴向向后移动一段距离后释放，在振子弹簧32的作用下，振子滑块33产生振动，当振子滑块33的振动平稳后，通过图像扫描开关13启动电机22和高压脉冲发生器43工作，进纸辊21按照图中的D方向转动，进纸辊21带动热敏纸71向左前行，同时放电针41放电并在热敏纸上产生黑色色点，色点构成的曲线即为振子滑块33的振动轨迹线，然后先通过图像扫描开关13停止电机22和高压脉冲发生器43，再通过气源开关12停止气泵34，最后用手拉住热敏纸71的左端，使热敏纸71上有图像的部分全部伸出进纸辊21的左侧后，上拉热敏纸71，当热敏纸71触碰到裁纸刀条6的刃部时会迎刃而断，且切ロ整齐。实施例ニ，參见图7，同实施例一的不同之处为电极板槽11的两端各通过ー根双头螺纹杆8同机架I进行连接。通过转动双头螺纹杆8来调节导向杆11的高度，使放电针41距离电极板42的距离发生改变，以调节放电时在热敏纸上形成的色点的大小，来提高所描绘出的振动曲线的清晰度以降低读数误差。在电极板槽11的右侧即进纸侧设有吸风管9。吸风管9上设有出风ロ 91。出风ロ 91通过管子同气泵34的进气端连接在一起。进气管在图中没有画出。參见图8，吸风管9的侧壁上设有进风缝隙94。进风缝隙94位于吸风管的下侧面上。吸风管9内设有风ロ长度调节板92。风ロ长度调节板92设有手柄93。手柄93经进风缝隙94伸出吸风管9的外部。參见图9，出风ロ 91设置在吸风管9的中间位置。进风缝隙94沿吸附管9的轴向延伸。风ロ长度调节板92有两块。參见图10与图9，使用时使热敏纸71依次穿过吸风管9和电极板槽11的下方，然后进入两根进纸辊21之间，再根据热敏纸71的宽度来调节两块风ロ长度调节板92的位置，使两块风ロ长度调节板92夹在热敏纸71的两侧。当气泵34启动后，吸风管9会将热敏纸71吸附住，进纸辊21牵引热敏纸71前行的过程中，热敏纸71处于吸风管8与进纸辊21之间的部分始終处于张紧状态，保证了经过放电针41上方的热敏纸71为匀速前迸。如果没有吸风管9，则由于惯性等原因，热敏纸卷7散开的即时线速度不一定等于进纸辊21的即时线速度(尤其是刚开始进纸吋)，导致描绘出的图像的准确性差。实施例三，參见图11，图中放电针41没有画出，同实施例ニ的不同之处为还设有振子弹簧长度分割机构10。振子弹簧长度分割机构10包括底座101和叉头102。底座101上设有插孔103。机架I上设有两根滑轨17。滑轨17沿气垫导轨31的轴向延伸。两根滑轨17位于气垫导轨31的两侧。底座101跨在气垫导轨31上。底座101的两端都设有同滑轨17相配套的滑槽，底座101通过该滑槽配合滑轨17同机架I连接在一起。底座101上还设有锁紧螺钉104。下面以将振子弹簧32分为相等的两段来说明验证弹性系数的方法松开锁紧螺钉104，沿着滑轨17移动底座101到位于振子弹簧31的正中间位置的下方，锁紧锁紧螺钉104，用插头102叉在振子弹簧32的正中间位置后并使插头插接在插孔103内，使得振子弹簧32只能以一半的长度进行振动(整根振子弹簧相当于两个半跟弹簧串联在一起，也即两根弾性系数相同的弹簧串联在一起)。通过比较通过整根振子弹簧振动的周期和通过半跟 振子弹簧进行振动的周期即能得出弹簧进行串联连接时的弹性系数的关系。改变底座的位置来改变弹簧长度的分配，以验证弹簧串联时弹性系数的关系式是否对。
权利要求1.一种弹簧振子振动图像描绘器，包括机架，气泵，设置在机架上的走纸装置和弹簧振子装置，所述弹簧振子装置包括气垫导轨、位于气垫导轨上的振子滑块和驱动振子滑块振动的振子弹簧，所述气垫导轨通过所述气泵供气，其特征在于，还包括电火花激发热敏纸装置和纸筒支撑架，所述电火花激发热敏纸装置包括高压脉冲装置、放电针和电极板，所述放电针和电极板同所述高压脉冲装置电连接在一起，所述放电针固接在所述振子滑块上，所述电极板同所述机架相固接。
2.根据权利要求I所述的弹簧振子振动图像描绘器，其特征在于，所述机架上设有电极板槽，所述电极板容置并固接在所述极板槽内。
3.根据权利要求2所述的弹簧振子振动图像描绘器，其特征在于，包括用于调节所述电极板与所述放电针之间的距离的双头螺纹杆，所述导向杆通过所述双头螺纹杆同所述机架连接。
4.根据权利要求I或2或3所述的弹簧振子振动图像描绘器，其特征在于，包括刃部朝下的裁纸刀条。
5.根据权利要求4所述的弹簧振子振动图像描绘器，其特征在干，所述机架上设有两个刀条安装槽，所述裁纸刀条的两端搁置在所述两个刀条安装槽内，所述裁纸刀条的两端设有插槽，所述刀条安装槽内设有插销，所述插销插在所述插槽内。
6.根据权利要求5所述的弹簧振子振动图像描绘器，其特征在于，所述插销穿设在所述刀条安装槽的槽壁上，所述插销上设有复位弹簧，所述插销的朝向所述裁纸刀条的一端的端面同侧面之间设有倒角。
7.根据权利要求I或2或3所述的弹簧振子振动图像描绘器，其特征在于，包括位于电极板进纸侧的吸风管，所述吸风管的侧壁上设有沿吸附管轴向延伸的进风缝隙，所述气泵的进气端同所述吸风管相连通。
8.根据权利要求7所述的弹簧振子振动图像描绘器，其特征在于，所述吸风管内设有风ロ长度调节板。
9.根据权利要求I或2或3所述的弹簧振子振动图像描绘器，其特征在于，包括振子弹簧长度分割机构，所述振子弹簧长度分割机构包括设有插孔的底座和可拔插地插接在底座的插孔内的叉头。
10.根据权利要求9所述的弹簧振子振动图像描绘器，其特征在于，所述机架上设有沿气垫导轨轴向延伸的滑轨，所述底座上设有同所述滑轨相配套的滑槽，所述底座通过所述滑槽配合所述滑轨连接在所述机架上，所述底座上还设有锁紧螺钉。
专利摘要本实用新型涉及教学实验仪器。一种弹簧振子振动图像描绘器，包括机架，气泵，设置在机架上的走纸装置和弹簧振子装置，高压脉冲装置以及纸筒支撑架；弹簧振子装置包括气垫导轨、振子滑块和振子弹簧，气垫导轨通过气泵供气，电火花激发热敏纸装置包括高压脉冲装置、放电针和电极板，放电针固接在振子滑块上，电极板同机架相固接。本实用新型能够准确地描绘出弹簧振子的振动曲线且能方便准确地获得弹簧振子从一个位置运行到另一个位置时所耗用的时长，解决了现有的实验仪器所绘出的振动曲线准确性差且不能方便准确地获得弹簧振子从一个位置运行到另一个位置所耗用的时长的问题。
文档编号G09B23/10GK202394420SQ20112045578
公开日2012年8月22日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者汪仁华, 赵齐浩 申请人:浙江向阳花教学器材有限公司