专利名称：激光付科摆演示装置的制作方法
技术领域：
本发明属于物理学中力学演示装置，特别涉及对反映地球自转的付科摆的改进设计。
在世界上付科摆是一个古老而有趣的物理实验。挂在地面建筑物上的对反映地球自转的付科摆，摆动平面因地球自转而转动，但转动很慢不易观测。
一个普遍的观念，要使付科摆有明显的效果就需要有高大的建筑物。即付科摆愈长效果愈好。因为摆愈长，摆动幅度就愈大，摆动平面偏转就愈明显。付科摆摆动一周在北极地区是24小时；在北京地区是37小时。即133200秒。如摆动幅度3米。摆动平面转速为
米/秒＝7×10-5米/秒＝70微米/秒，这接近于闹钟中分针尖的走动速度。
已有的改进办法有二一、增加摆长，据说付科本人做的摆长67米。这么高的建筑物实难得到。
二、给摆能量，使之不停地摆动，长时间观测，观众难有耐心。
本发明的目的在于，为克服已有技术的不足之处，设计出一种激光付科摆，可以装在普通房间。不需要高大建筑，便于推广普及，无需长时间观测，无需给摆能量，一两分钟就可以观测到明显效果。
本发明提出的一种激光付科摆演示装置，其特征在于，由摆、反射镜组件、激光器和标尺组成，所说的反射镜组件由设置一反射镜的转动部件及支撑该部件的座体所组成，所说的摆在摆动过程中与该反射镜组件的转动部件相撞使其转动，所说的激光器发射的光束经反射镜反射至所说的标尺上。
本发明所说的摆可由摆锤、固定在该摆锤下中心处的摆尖，以及将摆锤悬固于建筑物下的摆线所组成，所说的反射镜组件的转动部件可由安装反射镜的转体、与该转体相连的转柄及固定在该转柄一端的转套所组成。
所说的摆也可由摆锤以及将摆锤悬固于建筑物下的摆线所组成，所说的反射镜组件的转动部件由安装反射镜的转体、与该转体相连的转柄及固定在该转柄一端的转叉所组成。
本发明还可包括一起动架，所说的反射镜组件设置在该起动架处。还包括一调节摆线长度的调节器及固定摆线器。
本发明的激光付科摆的原理如
图1所示，图中，1是转动座，2是反射镜，3是转臂，4是摆锤，5是摆尖，6是转套，7是摆柄，8是激光管，9是标尺。它是利用激光器8发出的光束经反射镜2反射后打到标尺9上的光杠杆原理放大，从结构设计和机加工精度确保反射镜2和组件6的偏转只与与摆动平面偏转有关，而与单纯摆动，摆动衰减，摆4的转动以及其它许多因素无关。
图中，r为反射镜2的转动中心到摆锤尖4的最大距离即摆尖的摆动半径，设r为0.2米Δθ为反射镜或反射镜法线偏转角，R为反射镜2到标尺9距离，设R为10米光杠杆放大倍数 分析付科摆摆动面的转动设ω为摆动平面转动角度 r为摆尖的摆动半径t为摆动平面转动一周的时间Vt为摆动平面半径为r处的转动速度T为摆动周期L为摆动一周期时间摆动平面在半径为r处的转动距离L=2πrTt]]>对北京地区t＝37小时。设T＝3秒，r＝0.2米。则 L可视为机加工精度的参考值。例如摆线、摆锤质心，摆尖三者应该成一直线误差应小于L，这个要求比较高但能做得到。又如反射镜转动系统对转轴的精度也与L有关。这个要求也是比较高的，但也能做得到。
付科摆与反射镜转动系统之间的碰撞分析两物体相互碰撞时作用力的冲量等于物体动量的增量。摆锤与反射镜转动系统互相碰撞时，作用作力的冲量大小等于摆锤动量增量的大小。
FtΔt＝mr|ω′-ω|＝mr(ω-ω′)Ft=mr(ω-ω′)Δt]]>Ftr=mr2(ω-ω′)Δt]]>式中，Ft为摆锤与反射镜转动系统之间沿摆动平面转动圆的切线方向作用力大小Δt为摆锤与反射镜转动系统之间的作用时间m为摆锤质量r为摆锤质心的摆动半径(或摆尖、摆柄的摆半径，三个数相差不大)ω为碰撞前摆动平面转动角速度大小
ω’为碰撞后摆动平面转动角速度大小T为摆动周期Δt的大小与转套的结构有关，摆尖碰撞前、摆套两边间距较大，碰后两边间距与摆尖直径相当，即前宽后窄，使摆尖容易进入套中，Δt的大小与套的宽窄变化有关，是以可控制的。可以做到使
可以认为
时ω变化不大，即碰撞对摆动平面的转动影响不大，即要求当
时可以满足我们的要求，反射镜转动系统的磨擦力矩Mμ应小于Ftr，即要求
即
∴
式中，m’为反射镜转动系统质量r’为反射镜转轴的半径fμ为反射镜转动系统与转轴之间的摩擦力大小α为反射镜转动系统与转轴之间的摩擦系数，如果是轴承α≈0.001Mμ为反射镜转动系统与转轴之间的摩擦力矩大小g为重力加速度
设r=0.2米，α＝0.005(滚动轴承α＝0.001，但在这里不容易做到，故设α＝0.005)r＝0.0025米T＝3秒m′m≤0.22×4.717×10-59.8×0.005×0.0025×3=5.13×10-3]]>设m＝20Kg则m′≈100g反射镜转动系统包括反射镜，转体，转臂，转套等总质量接近100g是可以做到的，以上给的数据是供参考用的，这些量的大小是可以选择的，有了这个参考值，在设计时就会心中有数，这是一个精密的实验仪器，不可掉以轻心，但又是能够做到的，实际上已经做出了这种仪器，转体可采用尼龙材料，转臂可用环氧板。
本发明的特点本发明的激光付科摆可以装在普通房间，不需要高大建筑，便于推广使用。通过光杠杆放大原理，激光反射点在标尺上的移动速度可以大大高于摆动平面最大摆幅处的移动速度。激光付科摆的光点移动每分钟10cm量级。相当于200米高建筑物挂的付科摆效应，和手表中秒针尖走的速度相当。因而无需长时间观测，一两分钟就可以看出明显效果。除此之外，当直接观察付科摆运动时，运动量最大的是单纯摆动，其次是摆幅衰减。(如果给摆能量可以不考虑摆幅衰减)再其次才是摆动平面的偏转，前者比后者大一万倍。这使得观察摆动平面的偏转增加了困难。而激光付科摆中光点的移动与单纯摆动、摆幅衰减以及摆锤自转没有关系。观察起来非常容易。这类似于电磁波中滤波和放大两种作用。
通过设置起动架把转套放在摆尖的最大偏离处，使起动变得很方便。只要把摆锤推向起动架，也就自动调好了反射镜的起始位置，更重要的消除了摆锤椭圆轨迹的影响，因为在摆动最大处、椭圆的两条轨迹会成一点。由于摆锤很重、摆动幅度衰减很慢，推动一次摆动很长时间不会停下来。
本发明的激光付科摆可放在房间的一角，在房间里留出一个窄条位置作光束通道，在对面墙上放上标尺，这样做少占房间面积，容易实现。这种激光付科摆不需要长时间观察，马上可以看出摆动平面的转动，不用给摆能量使之不停地摆动。
本发明的演示仪器的结构简单、制作成本低，使观众容易理解，一看就懂，不产生误解。
本发明不用给摆能量使之不停地摆动，同样反射镜的转动只靠摆带动，而不加人为的动力，可以消除观众不必要的怀疑。
附图简要说明图1为本发明的构成及原理示意图。
图2为本发明的一种实施例结构示意图。
图3为本发明的另一种实施例结构示意图。
本发明的一种激光付科摆实施例结构如图2所示，结合附图详细说明如下本实施例由摆、反射镜组件、激光器和标尺组成。摆4包括摆锤21，摆尖22，摆柄23与摆线，摆锤的质心，摆尖，摆柄上面的固定摆线的小孔应在一直线。摆线一端固定在建筑物顶部，例如室内的天花板上，另一端与摆锤相连。摆锤包括连为一体的摆柄和摆尖，摆锤重约为20公斤。摆锤形状以圆柱形为好，加工精度容易得到保证，球形加工困难。这种结构的好处是容易保证摆线上端固定点，锤的重心、锤尖三者在一直线上、精度可达几十微米量级。反射镜组件是在摆锤下面与摆尖接触。如果考虑到摆锤质量不是很均匀，可在摆锤四面打上四个螺孔。然后通过四个螺钉，螺钉上的螺姆位置调节质量中心与摆线摆尖在一条线上。目的是使摆锤转时摆尖不动。实践证实这样加工出来的摆锤是可以达到要求的。
摆线可以采用钢丝绳。直径为1.5mm。抗拉强度约150Kg。摆柄上面的小孔也应该为1.5mm，摆柄上要再打一个大的横孔将摆线从上面小孔伸进来，再用小棍从横孔捅出来，将摆线打个小扣，再从上面拉紧就可使摆线固定在摆柄上。摆线与室顶的固定方法更容易一些。可在室顶上固定一膨胀螺栓，再做一特制的螺姆拧在螺栓(带螺纹的)上，特制的螺姆下面打一小孔，小孔直径与摆线一样。固定方法是将摆线从小孔伸进去，因为螺纹处是大孔，将摆线打好扣再从下面拉紧。
反射镜组件由反射镜24、带有转轴的转体25、转柄26、转套27、转动座28所组成。总质量接近100g。
反射镜组件中的转臂要两边对称。两个转动方向一样，没有向一边转动的倾向。
转轴转轴可使用轴承(小轴承摩擦力小，抗撞击力强)，与摩擦轴(更细的轴，可使转角为任何值)相结合的办法。轴承必须使用精密轴承。摩擦轴的做法是要先打孔后加工轴，以轴配孔，才能做到精密配合。
转体由圆柱体尼龙棒或聚四氟乙稀棒加工而成，它将反射镜2、转柄3、转动座1等几个部件联成一体，且可以绕转动座而转动。整个转动部分需要重量轻、转动灵活。转柄是为了固定转套用的。当摆锤摆动时，摆尖进入转套中。如果地球没有自转，摆动平面不会改变，反射镜也不会转动。从结构本身来说反射镜没有固定地转动方向。两种转动方向的几率是一样的。如果由于气流等不确定因素使摆动平面转动，其转动方向也是不确定。实践证明不确定因素很小，可以忽略不计。反射镜在摆尖的作用下有一个固定的转动方向即证实了摆动平面的偏转方向是固定的。而且与地球自转引起摆动平面偏转的方向和偏转速度是一致的即理论与实验一致。
反射镜组件的转动部分质量小转动灵活，与摆锤相接触时不影响摆动平面的偏转，或者说影响很小，可以忽略不计。
本实施例还包括以下辅助设备1)起动架它的作用是使摆锤有一个确定的偏离中心的位置。同时使摆尖进入转套中，使反射镜有一个确定的初始偏角，光点在标尺上有一初始位置。
起动架的构造可以多种多样。本实施例的结构是在一块槽钢上，装两个立柱。两立柱之间的间隔可约为摆锤直径的 。两圆柱之间的连线与摆锤的初始摆动方向垂直。在每个圆柱上有两个螺钉，调节螺钉长度与摆锤侧面接触。也就是说当推动摆锤，使摆锤与四个螺钉靠紧时摆锤的初始位置也就确定了，当然摆锤可以以摆线为轴有一小角度的变化。但这没有关系。也可以在摆锤侧面与钉头接触处做上标记，这样摆锤的初始位置就可以完全确定了。
要注意推动摆锤的手应放在与立柱相反的方向并且在摆锤的质心位置。这样手与两立柱四个螺钉可以固定摆锤的初始位置。然后使手迅速向摆动方向移开。这样当摆锤摆动时反射镜不动直到摆尖(或实施二摆柄)回来碰撞摆套为止。
槽钢要有一定重量，这样才能使起动架稳定不动。也就是使摆锤的初始位置稳定不动。槽钢可以放在摆锤下面的桌面上，便于操作。槽钢与桌面之间有较大摩擦力或使槽钢固定在桌面上。
2)实验台。放置转动座及激光管、激光电源。激光管可以放在固定槽钢的桌面上，也可以放在其它桌面上，激光管的高度与倾角应该能够调节，以便使光束能射在反射镜上并且反射到标尺上。
3)摆线长调节器4)固定摆线器。如果是水泥板室顶，可用膨胀螺栓及固定摆线器将摆线固定在室顶上。
本发明的另一种实施例结构如图3所示，该实施例与前一实施例的结构基本相同，所不同之处是，采用摆柄与反射镜组件的转动部件相撞方式，即将反射镜组件与摆的相对位置提高，其结构上的不同点，摆由摆锤31，摆柄32，摆线33组成，该摆锤省去了摆尖，反射镜组件由反射镜34、带有转轴的转体35、转柄36、转套37、转动座38组成，只是转套37采用一叉形物。这种结构机加工精度可以降低一些。
权利要求
1.一种激光付科摆演示装置，其特征在于，由摆、反射镜组件、激光器和标尺组成，所说的反射镜组件由设置一反射镜的转动部件及支撑该部件的座体所组成，所说的摆在摆动过程中与该反射镜组件的转动部件相撞使其转动，所说的激光器发射的光束经反射镜反射至所说的标尺上。
2.如权利要求1所述的激光付科摆演示装置，其特征在于，所说的摆由摆锤、固定在该摆锤下中心处的摆尖，以及将摆锤悬固于建筑物下的摆线所组成，所说的反射镜组件的转动部件由安装反射镜的转体、与该转体相连的转柄及固定在该转柄一端的转套所组成。
3.如权利要求1所述的激光付科摆演示装置，其特征在于，所说的摆由摆锤以及将摆锤悬固于建筑物下的摆线所组成，所说的反射镜组件的转动部件由安装反射镜的转体、与该转体相连的转柄及固定在该转柄一端的转叉所组成。
4.如权利要求1所述的激光付科摆演示装置，其特征在于，还包括一起动架，所说的反射镜组件设置在该起动架处。
5.如权利要求1所述的激光付科摆演示装置，其特征在于，还包括一调节摆线长度的调节器及固定摆线器。
全文摘要
本发明属于物理学中力学演示装置,由摆、反射镜组件、激光器和标尺组成,所说的反射镜组件由设置一反射镜的转动部件及支撑该部件的座体所组成,所说的摆在摆动过程中与该反射镜组件的转动部件相撞使其转动,所说的激光器发射的光束经反射镜反射至所说的标尺上。本发明可以装在普通房间。不需要高大建筑,便于推广普及,无需长时间观测,无需给摆能量,一两分钟就可以观测到明显效果。
文档编号G09B23/00GK1277417SQ0012078
公开日2000年12月20日 申请日期2000年7月14日 优先权日2000年7月14日
发明者张泊静, 张力 申请人:清华大学