一种精确的单摆实验装置的制作方法

本实用新型涉及一种单摆实验装置，更具体的说，尤其涉及一种可以精确的确定摆线旋转中心、摆角、摆长并且摆球释放无初速度的精确的单摆实验装置。

背景技术：

单摆试验在大学基础物理和中学物理教学中是一项简单却又十分重要的实验，即：用重量可忽视的细线吊起一质量为m重锤，使其左右摆动，当摆角为0度时，重锤所受合外力大小等于小球本身的重力。一根绳子和一个小球即可组成单摆实验并能大致估算当地的重力加速度。现有的大学物理单摆实验装置，其操作步骤基本如下：首先，根据单摆振动时能量守恒，需要测量摆角、摆线；其次，当摆线到达某摆角时，释放摆锤，通过多次的改变摆角大小、摆线长度估算当地重力加速度值。但这种实验在数据准确性及操作内容上都略显不足，不利于学生学习和了解单摆的运动过程及其原理：对于摆线的摆动中心，现有的摆动试验仪无法精确定心，使得摆角、摆线的测量出现较大偏差，释放摆锤时，由于采用人工拉起一定摆角释放方式，无疑增加了释放时的初速度，不满足求解加速度求解时的能量守恒定律。因此，现有的试验仪在关键摆动测量参数上均有较大误差存在，极大地影响了求解精度。

技术实现要素：

本实用新型为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种可以精确的确定摆线旋转中心、摆角、摆长并且摆球释放无初速度的精确的单摆实验装置。

本实用新型的精确的单摆实验装置，包括底座、丝杠、丝杠竖板、摆线和摆锤，丝杠竖板固定于底座上，丝杠竖板的上端、下端分别固定有上固定台和下固定台，丝杠的上端和下端均通过轴承设置于上固定台和下固定台上，丝杠成竖直状态，丝杠的上端固定有手摇柄；其特征在于：上固定台上固定有绕线座，摆线可伸缩地设置于绕线座上，摆锤固定于摆线的下端；丝杠上设置有滑台，滑台经螺纹副与丝杠传动配合，丝杠竖板上固定有导向杆，导向杆的长度方向与丝杠的长度方向一致，滑台上设置有与导向杆相配合的导向槽；滑台上固定有对摆锤经过最低点位置时刻进行检测的光电门，光电门上开设有与摆锤的最低点位置对齐的激光孔，丝杠竖板上固定有对摆线的长度进行标定的竖向刻度尺。

本实用新型的精确的单摆实验装置，包括横向摆锤释放机构，横向摆锤释放机构由水平导轨、升降外杆、升降内杆和弹性卡扣组成，水平导轨位于摆锤的正下方，且水平导轨的长度方向与摆锤的摆动方向相一致；升降外杆经滑块设置于水平导轨上，升降内杆可伸缩地插在升降外杆中，升降外杆上固定有对升降内杆的伸出长度进行定位的固定螺栓；底座或水平导轨上固定有对摆锤初始点与最低点之间的水平距离进行标定的横向刻度尺；

弹性卡扣固定于升降内杆的上端，弹性卡扣的中心点、摆锤处于最低位置时的中心点及水平导轨长度方向的中心线位于同一平面内；弹性卡扣由两个半圆形卡环构成，半圆形卡环的上端设置有外延部，在弹性卡扣不受力的情况下，两个半圆形卡环所形成的内腔直径小于摆锤的直径，在手持外延部向外掰动两半圆形卡环的情况下，两个半圆形卡环所形成的内腔直径可扩大至大于摆锤的直径。

本实用新型的精确的单摆实验装置，所述绕线座上设置有对摆线进行缠绕或释放的转轮，绕线座上开设有开口朝下的螺纹孔，摆线经螺纹孔伸出；螺纹孔内设置有对螺纹孔中的摆线进行固定的摆线固定螺栓。

本实用新型的精确的单摆实验装置，丝杠竖板经l型固定板固定于底座上，导向杆的数量为两个，两个导向杆分别位于丝杠的两侧。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的单摆实验装置，通过在丝杠竖板上设置丝杠、导向杆，滑台经螺纹副设置于丝杆上，在上固定台上设置绕线座，滑台上固定光电门，通过转动丝杠可驱使滑台上升或下降，这样就实现了摆线长度的调节，并可根据竖向刻度尺获取摆线长度，可进行不同摆线长度的单摆实验；通过设置由水平导轨、升降外杆和内杆、弹性卡扣形成的横向摆锤释放机构，通过升降外杆在水平导轨上移动，以及升降内杆的升降，可利用弹性卡扣将摆锤固定在单摆实验的始点，实现了摆锤在的无初速度释放，同时通过横向刻度尺可读取摆锤初始位置与最低点位置之间的水平距离，在水平距离、摆线长度已知的情况下，根据三角函数即可求取摆角。

本实用新型的单摆实验装置的优点体现在：通过丝杠螺纹配合的自锁功能可将滑台上的光电门停留在任一位置，实现了摆锤通过垂线位置时间的精确测量；在横向与摆锤对心布置的升降杆配合弹性卡扣能够实现摆锤在任一横向位置、任一高度的无初速度释放，满足了求解时的能量守恒定律。由于摆线长度、摆动距离能够通过刻度尺测得，反求三角函数即可获得摆角，极大减小了摆角的测量误差。本实用新型的精确单摆实验装置成本较低，非常适合大批量的学生单摆物理实验使用，具有广阔的经济开发前景。

附图说明

图1为本实用新型的精确的单摆实验装置的立体图；

图2为本实用新型的精确的单摆实验装置的主视图；

图3为本实用新型的精确的单摆实验装置的右视图；

图4为图2中a-a截面的剖视图；

图5为本实用新型中绕线座所在部位的局部放大图；

图6为本实用新型中光电门所在位置的局部放大图；

图7为本实用新型中横向摆锤释放机构与底座相配合的结构示意图。

图中：1手摇柄，2上固定台，3丝杠竖板，4导向杆，5丝杠，6摆锤，7滑台，8下固定台，9l型固定板，10底座，11水平导轨，12横向刻度尺，13升降外杆，14升降内杆，15弹性卡扣，16光电门，17摆线，18绕线座，19高度调节螺栓，20竖向刻度尺，21上轴承，22下轴承，23竖板固定螺栓，24转轮，25摆线固定螺栓，26光电门固定螺栓，27激光孔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，分别给出了本实用新型的精确的单摆实验装置的立体图、主视图和右视图，图4给出了图2中a-a截面的剖视图，所示的单摆实验装置由底座10、丝杠竖板3、丝杠5、导向杆4、上固定台2、下固定台8、手摇柄1、摆线17、摆锤6、绕线座18、光电门16以及横向摆锤释放机构组成，底座10起固定和支撑作用，丝杠竖板3以竖直状态固定于底座10上；丝杠竖板3经l型固定板9固定于底座10上，l型固定板9经竖板固定螺栓23与丝杠竖板3和底座10固定连接。上固定台2和下固定台8分别固定于丝杠竖板3朝向底座10的侧面的上端和下端，丝杠5的上端经上轴承21设置于上固定台2上，丝杠5的下端经下轴承22设置于下固定台8上，以保证丝杆5进行自由转动。

导向杆4的数量为两个，两个导向杆4分别位于丝杠5的两侧，并固定于丝杠竖板3上，且导向杆4的长度方向与丝杠5的长度方向相平行。滑台7以螺纹副的形式与丝杠5相配合，且滑台7与丝杠5之间的螺纹副具有自锁功能，以便滑台7稳定地停留在相应高度位置。滑台7上设置有与导向杆4相配合的导向槽，丝杠5的上端固定有手摇柄1，这样，在通过手摇柄1转动丝杠5的过程中，由于导向杆4对滑台7的限位和导向作用，使得滑台7沿着丝杠5的高度方向升降。丝杠竖板3上固定有竖向刻度尺20，竖向刻度尺20用于对摆线17的长度进行标定。

所示的绕线座18固定于上固定台2上，如图5所示，给出了本实用新型中绕线座所在部位的局部放大图，所示的绕线座18上设置有转轮24，转轮24用于对摆线17进行缠绕，以实现摆线17长度的延长或缩短，用于改变单摆实验的摆线长度。绕线座18上开设有竖直朝下的螺纹孔，摆线17经螺纹孔穿出，然后经旋入螺纹孔的摆线固定螺栓25进行固定，确保了单摆实验的摆动中心的唯一性。

所示的光电门16固定于滑台7上，光电门16用于测量摆锤6经过最低点的时刻，如图6所示，给出了本实用新型中光电门所在位置的局部放大图，所示的光电门16为u形结构，以便摆线17下端的摆锤6在单摆实验过程中穿过u形光电门16的u形槽进行单摆运动。光电门16上设置有激光孔27，且激光孔27与摆锤6最低点位置相对应，以测量摆锤6经过最低点的时刻。所示的光电门16经光电门固定螺栓26固定于滑台7上。

所示的横向摆锤释放机构由水平导轨11、升降外杆13、升降内杆14、弹性卡扣15和高度调节螺栓19组成，水平导轨11位于摆锤6的正下方，且水平导轨11的长度方向与单摆实验过程中摆锤6的摆动路径在底座10上的投影重合。升降外杆13经滑块设置于水平导轨11上，使得升降外杆13可沿水平导轨11的长度方向运动，横向刻度尺12沿水平导轨11的长度方向设置，通过横向刻度尺12可对升降外杆13的横向位移量进行标定。

升降外杆13为中空杆，升降内杆14为实心杆，升降内杆14插在升降外杆13中，弹性卡扣15固定于升降内杆14的顶端。弹性卡扣15用于卡住摆锤6，实现摆锤6任意位置的无初始速度释放。高度调节螺栓19以螺纹配合的形式设置于升降外杆13的外壁上，通过升降内杆14在升降外杆13中的升降，然后旋紧高度调节螺栓19，可使弹性卡扣15停留在设定高度位置。所示的弹性卡扣15由两个半圆形卡环构成，半圆形卡环的上端设置有外延部，在弹性卡扣不受力的情况下，两个半圆形卡环所形成的内腔直径小于摆锤6的直径，以便将摆锤6牢固地卡在弹性卡扣15上。在手持外延部向外掰动两半圆形卡环的情况下，两个半圆形卡环所形成的内腔直径可扩大至大于摆锤的直径，以实现摆锤6的无初始速度释放。

本实用新型的精确的单摆实验装置，通过转动手摇柄1可驱使光电门16跟随滑台7升降，通过转动绕线座18上的转轮24对摆线17的缠绕或释放，令光电门16上的激光孔27与处于最低点位置的摆锤6相对齐，然后通过读取竖向刻度尺20上的刻度，以确定摆线17的长度，满足了进行不同摆线长度实验的要求。通过在水平导轨11上移动升降外杆13，以及在调整升降内杆14的高度，可将摆锤6固定任一横向位置、任一高度的位置上，利用弹性卡扣15可实现摆锤6的无初始速度释放。通过读取弹性卡扣15在横向刻度尺12上的位置，可确定出摆锤6初始位置与最低点位置之间的水平距离，在水平距离、摆线长度已知的情况下，根据三角函数即可求取摆角，进而确定摆锤6的高度，根据能量守恒可计算摆锤6经过最低点的速度。通过对摆动周期的计算，可计算当地加速度。