专利名称：立式磁控光显研究牛顿第二定律仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属高级中学与中等专业学校物理学科力学实验仪器。
现有技术中的“阿特武德机”(见《中学物理教师手册》第727页)。该机的一滑轮上跨一细绳，当绳的两端悬挂的砝码质量(M)和(M＋△m)相差(△m)时，重力之差(△mg)使系统(M和M＋△m)从静止开始在竖直空间做匀加速直线运动。这种对系统所受外力(△mg)和总质量(M＋M＋△m)的取值以及砝码组在竖直空间运动所受空气阻力极小，使该机研究牛顿第二定律的实验原理趁于完善。但是由于它只取一组砝码进行研究，故除要在标尺上读出位移S外，还要用电动秒表测出砝码运动时间t，然后依据公式S＝1／2at2，去计算a，这种测算要进行多次，并运用测算的多组值作a－F，a－1／m的函数图象，最后综合分析得出牛顿第二定律。显然这种研究过程是繁锁，颇花时间的。《物理教学》90年第2期上介绍有《磁控光显研究牛顿第二定律装置》一文，该装置是取两端在水平轨道上运动的小车为研究对象，令两小车做初速度为零的匀加速直线运动，且运动的时间相等，由公式S＝1／2at2，可得出a∝s，从而比较两小车的位移，就可以比较它们的加速度，这种用位移比代替加速度比研究方法，其实验原理是简明的，且由于完全抛开了时间的测定和繁多的数学计算，很节省时间，加之该装置还采用了“磁控”、“光显”技术，能使实验操作方便，实验现象明显。但是，由于它沿用的是现行高级中学课本中的“卧式”装置形式，把拉小车的外力认为是挂盘与砝码的重力mg，而实际应该是绳子的拉力F＝M／M＋m·mg，M为小车的质量，显然F＜mg，这样，简明的实验原理却大有不完善之处，必要造成系统误差，当m≤M时，虽可减小这种误差，但不能消除。另外，小车在轨道上运动所受摩擦阻力不可忽略，要减小这一摩擦力的影响，得使用“斜面平衡法”，这又是一件颇麻烦费时的工作。
本实用新型的目的是提供一种改进的其实验原理简明、又趋于完善，同时具有操作方便，节省课时，效果甚佳的研究牛顿第二定律的新型教学仪器。
本实用新型的任务是以如下方式完成的在两竖直的长支杆上端的定滑轮上各跨一根细绳，两组砝码按质量相等，所受恒外力不同或所受恒外力相同，质量不等的两种情况定值分配，而后把它们悬挂于两根细绳的各端，让这两组砝码在竖直空间道上做初速度为零的匀加速直线运动。为确保两组砝码能同时起动，采用了电磁铁的控制手段，为方便判明两组砝码运动时间是否相等，安装了自动显示运动终止时刻的“光显”电路。另外，一根竖直安装的标尺柱，既方便读位移值，又能将“光显”电路中的活动导线藏放在其空腔中。
附
图1、附图2和附图3是本实用新型的整体外形，挡板局部及电路原理图。现对照附图详述如下底座［1］上立有两长支杆［2］，每长支杆上端装着一个定滑轮［3］，长支杆上的套筒［4］可上下移动，上面装有一颗起固定位置作用的旋纽［5］，套筒一侧牢固地连接着挡板［6］、挡板上定位装有绝缘隔片［7］和双铜片［8］。双铜片与绝缘隔片的整体作用是作为“光显电路中的碰撞开关K1、K2。跨在定滑轮上的两根细绳［9］的长度相等，两端都勾挂着砝码［10］(砝码落放在砝码勾盘上)。两电磁铁［11］安装底座上的位置在两外侧砝码勾盘的正下方。标尺柱［12］的两侧各有一条竖直长开口，开口通柱内的空腔，接在双铜片开关K1、K2上的四根活动导线［13］就藏放在柱内空腔中。标尺柱上“0”刻度线，一般都取作为两组砝码运动的初始位置。起“光显”作用的小灯泡L1、L2装在标尺柱上方位置。标尺柱顶端接有一根横杆［14］，它把标尺柱、两长支杆的上部连了起来，起牢固装置的作用，为使横杆不会碰着走动的绳线，在它上面钻有两个较大的通线孔。底座上还安装有电源接线柱［15］和控制电磁铁电路的单刀开关K3，为调底座水平，可装上螺钉脚［16］。
使用本实用新型研究牛顿第二定律的实验步骤是1、在简单介绍了该仪器构造、原理后，用两只手的各一手指分别撞击双铜片，灯光电路接通，让学生看到先撞击一灯先亮，后撞击一方的灯后亮，同时撞击，两灯同时亮。使学生明确，实验中两灯泡同时发光，则表明两组砝码运动的时间相等。
2、研究两组砝码在质量相等的条件下，它们的加速度与所受的不同恒外力的关系。
为让表述中的字母意义明确，先设一根细绳两端所悬挂的砝码(包括砝码勾盘)质量分别为m1、m′1，且m′1＞m1，则这一系统受外力F1＝(m′－m)g，这一系统的总质量M1＝m1＋m′1；设另一根细绳两端所悬挂的砝码质量分别为m2、m′2，且m′2＞m2，则这另一系统受外力F2＝(m′2－m2)g，这另一系统的总质量M2＝m2＋m′2。
按M1＝M2和m′1－m1≠m′2－m2的原则确定好各砝码勾盘上要放置的砝码量，算出F1［＝(m′1－m1)g］与F2［＝(m′2－m2)g］的比值。例如取M1＝M2＝50克，分配m1＝20克，m′1＝30克，m2＝10克，m′2＝40克，则有F1F2＝13。
合上开关K2，让电磁铁吸住其上的砝码勾盘。按确定一组分配量挂好所有的砝码。任意取定两挡板的位置，断开开关K3，两组砝码被同时释放。细致观察两灯泡发光情况，一般是有先亮后亮之分，只有当两挡板的位置能满足，让两组砝码的位移比等于所受外力比时，才同时发光。改用不同外力比值的组，重复上面的操作，观察到的现象相同。实验表明，两组砝码的位移与它们受的外力成正比。因此，我们可以得到结论对质量相同的物体来说，物体的加速度跟作用在它上面的力成正比。
3、研究两组砝码受相同的恒外力作用的条件下，它们的加速度与它们不等的质量的关系。
按m′1－m1＝m′2－m2和m1＋m′1≠m2＋m′2的原则，确定好各砝码勾盘上要放置的砝码量，并算出M1与M2的比值。例如取F1＝F2＝20克力，分配m′1＝30克，m1＝10克，m′2＝50克，m2＝30克，则有M1M2＝12。
合上开关K3，让电磁铁吸住其上的两砝码勾盘。按确定好的一组分配量挂好所有的砝码，任意取定两挡板的位置，断开开关K3，两组砝码被同时释放。细致观察两灯泡的发光情况，一般亦有先亮后亮之分，只有当两挡板位置能满足两组砝码的位移与它们的质量成反比时，才同时发光。改用不同质量比值的组，重复上面的操作，观察到的现象相同。实验表明，两组砝码的位移与它们的质量成反比。因此，我们可以得到结论在相同的力作用下，加速度跟质量成反比。
本实用新型由于采用“立式”、“双空间道”结构，两组砝码在竖直的两并排空间道上运动，这不仅使实验的直观性强，可见度大，对比度大，更重要的还能使立式的阿特武德机原理这精华，即“悬挂在一绳双端的砝码所受作用力等于两边砝码重量的差，系统总质量即是两边砝码质量的和”得以发扬光大，同时又使两小车在双轨道上运动的卧式装置的优越处，即“用位移比代替加速度比的”的原理能依据放光彩。故本实用新型的实验原理能既简明，又趋于完善。另外，准确可靠的“磁控”、“光显”技术，既能使两组砝码严格同时起动，又能当即不误地显示它们运动终止的时刻。总之，一系列的改进方法，使本实用新型在研究牛顿第二定律的演示中显示出一系列的优点，从而让实验获得成功，取得令人满意的效果。
本实用新型研究牛顿第二定律的教学仪器，没有复杂的结构，工艺与材料的要求也均不难解决，一般教学仪器生产厂家完全有能力生产。
权利要求一种物理研究牛顿第二定律的教学仪器，它包括由底板[1]、支柱[2]、定滑轮[3]、挡板[6]、标尺柱[12]和横杆[14]构成的仪器主体结构，其特征在于该仪器的两竖直的长支杆[2]上端各装有一个定滑轮[3]，且上有套筒[4]，套筒一侧牢固地连接着挡板[6]，挡板上定位装有绝缘隔片[7]和双铜片[8]，两电磁铁[11]安装在底座上的位置是在绳线[9]上掉挂着的两外侧砝码[10]的正下方，标尺柱[12]的两侧均有竖直长开口，开口通柱内的空腔，接在双铜片开关K1、K2上的四根活动导线[13]就藏放在柱内空腔中，小灯泡L1、L2装在标尺柱[12]的上方。
专利摘要本实用新型使研究牛顿第二定律的实验原理简明且趋完善。两长支杆(2)上端的定滑轮(3)上各跨一根细绳(9)，当绳两端挂的砝码质量不等时，其重力之差使它们均从静止开始作加速运动，电磁铁(11)控制它们的起动，可调动的挡板(6)控制它们的终止位置，内藏活动导线的标尺柱(12)供读位移，灯光L
文档编号G09B23/00GK2073139SQ90215969
公开日1991年3月13日 申请日期1990年10月3日 优先权日1990年10月3日
发明者肖毅 申请人:肖毅