本发明属于物理实验仪器领域，具体涉及到利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆及其制作方法。
背景技术
单摆是一种常用的物理实验仪器。单摆都是由一根摆线下方悬挂一摆球构成，通过对单摆的摆动周期和摆长的测量，可间接测得当地的重力加速度值。一般单摆在摆动过程中，摆线的悬挂点（摆轴）和摆长不发生改变。在物理教学的过程中，单摆的学习有着重要的实际意义。但是，现有的单摆装置结构过于复杂和繁琐，不利于操作和维护，且只能用来演示单摆的运动规律，功能单一。
混沌理论是系统从有序突然变为无序状态的一种演化理论，是对确定性系统中出现的内在“随机过程”形成的途径、机制的研讨。科学家们经过的多年的研究发现，混沌系统是一个非周期性的不可逆过程，它对初始值反应敏感，一个微小的扰动变化，就会产生意想不到的结果，而且长期行为不可预测。混沌现象起因于物体不断以某种规则复制前一阶段的运动状态，而产生的无法预测的随机效果。混沌现象发生于易变动的物体或系统，该物体在行动之初极为单纯，但经过一定规则的连续变动之后，却产生始料所未及的后果，也就是混沌状态。但是现有的混沌摆的主摆杆与固定非磁性支架6之间，主摆杆与副摆杆之间均存在转动连接机构，因为转动连接结构的存在，使得主摆杆与固定非磁性支架6之间，主摆杆与副摆杆之间均存在着较大的摩擦力，能量损耗严重；另外现有的用于演示混沌现象的装置结构过于复杂和繁琐，操作和维修困难，不利于推广普及展示科普。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆及其制作方法。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆，包括支撑架、第一单畴超导块、第一样品盒、第一永磁体、摆锤和至少一个中间摆，所述第一样品盒与支撑架固定连接，第一单畴超导块固定在第一样品盒底部，第一永磁体通过与第一单畴超导块的相互作用力悬浮在第一单畴超导块下方；
所述中间摆设置在第一永磁体与摆锤之间，中间摆包括第二永磁体、内设有第二单畴超导块的两个第二样品盒，两个第二样品盒分别通过两根非磁性细杆与第一永磁体固定，且对称悬挂于第一永磁体下方，并使两个第二单畴超导块相对；所述第二永磁体通过与两个所述第二单畴超导块的相互作用力悬浮在两个第二单畴超导块之间；
所述第一样品盒、第二样品盒内均盛装有液氮，所述第二永磁体下端通过摆绳与摆锤连接；
当包括两个及以上所述中间摆时，相邻中间摆之间通过非磁性支架连接。
上述的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆，所述中间摆的第二单畴超导块的形状与第二样品盒相同，均为圆柱形，且第二单畴超导块固定在第二样品盒的任意平面上。
上述的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆，所述中间摆第二单畴超导块为环状超导块，所述第二样品盒为圆柱形，第二样品盒的任一平面上设有圆柱形凹槽，圆柱形凹槽使第二样品盒内形成一个环形容纳腔，所述第二单畴超导块设在所述环形容纳腔内；且圆柱形凹槽的面积大于第二永磁体的横截面面积，所述第二永磁体两端分别插入至两个第二样品盒的所述圆柱形凹槽内。
上述的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆，当具有多个所述中间摆时，多个所述中间摆可以是权利要求2、权利要求3中中间摆的一个或多个的任意自由组合。
上述的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆，所述第一单畴超导块、第二单畴超导块均通过海绵或环氧树脂胶固定在所述第一样品盒、第二样品盒内。
上述的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆，所述第一单畴超导块、第二单畴超导块均采用rebco系列的超导块。
上述的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆，所述支撑架包括底板、支撑杆、横杆，所述支撑杆固定在底板上，横杆固定在支撑杆顶部，所述横杆的自由端设有用于固定所述第一样品盒的固定件。
如权利要求1-8中任一项所述的复合摆的制作方法，其特征在于,包括以下步骤：
s1：将支撑杆固定在底板上，将所述横杆通过十字夹或螺栓固定在支撑杆的合适位置，完成支撑架的制作；
s2：将第一样品盒固定在所述横杆自由端的固定件上，在第一样品盒内放置第一单畴超导块，并通过海绵或者环氧树脂胶将第一单畴超导块固定在第一样品盒底部；
s3：将一个第一永磁体置于第一单畴超导块下方，然后向第一样品盒内注入液氮，当第一单畴超导块处于超导态时，第一永磁体悬浮与第一超导块下方；
s4:制作中间摆：在两个第二样品盒内放入第二单畴超导块，并通过海绵和/或环氧树脂胶将第二单畴超导块固定在第二样品盒内，并使两个第二单畴超导块相对，将第二永磁体置于两个相对设置的第二单畴超导块之间，然后向第二样品盒内注入液氮，使第二单畴超导块）处于超导态，使第二永磁体悬浮与两个第二单畴超导块之间；
s5：两个第二样品盒顶部分别固定一非磁性细杆，非磁性细杆顶端与第一永磁体连接；
s6：在所述s4.2中的第二永磁体底端固定一摆绳，在摆绳自由端固定一摆锤。
上述的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆的制作方法，重复所述s4，以制作多个中间摆，后一个中间摆的两个第二样品盒顶部分别与非磁性支架的一端连接，非磁性支架的另一端与前一中间摆的所述第二永磁体连接，以使各个中间摆连接在一起。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆，具有制作简单，方便易学，能同时实现摆动和旋转的功能，便于演示科普，有利于物理教学的实施，展示物理知识原理，特别是利用高温超导技术的磁悬浮技术，独辟蹊径把单摆与支撑架、以及各级单摆之间相互隔离开来，使之在运动的过程中不产生相互之间的摩擦力，减少能量损耗，使各级单摆最大限度模拟单摆的运动状态，并通过各级单摆的耦合运动演示混沌现象，从而认识混沌原理，体会混沌思想。
附图说明
图1是本发明的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆的主视图
图2是本发明的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆的侧视图。
图3是本发明的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆的俯视图。
图4是图3中a1的放大图，即横杆与支撑杆的连接示意图。
图5是支撑杆与底座的剖视图。
图6是第二样品盒与非磁性支架的连接示意图。
图7是图1中a2的三视图，即第一永磁体与非磁性细杆的三视图。
图8是非磁性细杆和第一永磁体上的非磁性凸耳的连接示意图。
图9是横杆的三视图。
图10是非磁性支架与前一中间摆中的第二永磁体的连接示意图。
图11是本发明的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆的结构简图一。
图12是本发明的利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆的结构简图二。
图13是具有两个中间摆时的复合摆的结构简图一。
图14是具有两个中间摆时的复合摆的结构简图二。
图15是具有两个中间摆时的复合摆的结构简图三。
图16是具有两个中间摆时的复合摆的结构简图四。
图中：1-支撑架；11-底板；12-支撑杆；13-横杆；2-非磁性细杆；3-摆绳；31-第一样品盒；21-第一单畴超导块；22-第一永磁体；41-第二样品盒；42-第二单畴超导块；43-圆柱形凹槽；44-第二永磁体；5-摆锤；6-非磁性支架；15-固定部；16-通气孔；17-非磁性凸耳；18-圆环。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
参照图1-图10，本实施例提供利用高温超导原理演示混沌现象的复合摆，包括支撑架1，第一单畴超导块21、第一样品盒31、第一永磁体、摆锤5和至少一个中间摆，所述第一样品盒31与支撑架1固定连接，第一单畴超导块21固定在第一样品盒31底部，第一永磁体通过与第一单畴超导块21的相互作用力悬浮在第一单畴超导块21下方；
所述中间摆设置在第一永磁体与摆锤5之间，中间摆包括第二永磁体44、内设有第二单畴超导块42的两个第二样品盒41，两个第二样品盒41分别通过非磁性细杆2对称设置在第一永磁体下方，并使两个第二单畴超导块42相对；所述第二永磁体44通过与两个所述第二单畴超导块42的相互作用力悬浮在两个第二单畴超导块42之间；
所述第一样品盒31、第二样品盒41内均盛装有液氮，所述第二永磁体44下端通过摆绳3与摆锤5连接。
在本实施例复合摆中，中间摆可以具有1个，2个，3个或者更多个，当包括2个及2个以上所述中间摆时，相邻中间摆之间通过非磁性支架6连接。具体的，非磁性支架6一端固定在后一中间摆的两个非磁性样品盒顶部，非磁性支架6另一端与前一中间摆的第二永磁体44固定连接，通过非磁性支架6将两个第二样品盒41对称设置在前一中间摆的第二永磁体44下方。
永磁体可以悬浮在一个单畴超导块下方或者两个对称设置的单畴超导块之间的原理是：超导体的两个特性是零电阻特性和完全抗磁性；超导体利用它的完全抗磁性通过钉扎中心将永磁体的磁场进行磁通钉扎，此时的超导体既有吸引力又有排斥力，综合结果和永磁体的磁场相互作用，使得永磁体克服本身及固定在永磁体上的其他部件所具有的重力而悬挂起来；这就是超导体的磁悬浮特性。
第一样品盒31、第二样品盒41的形状可以与第一单畴超导块21、第二单畴超导块42相同也可以不同；优选第一样品盒31、第二样品盒41为圆柱形，第一单畴超导块21、第二单畴超导块42也为圆柱形；且第一单畴超导块21固定在第一样品盒31底壁上，第一样品盒31顶部开口，第二单畴超导块42固定在第二样品盒41的一个圆形面上，且第二样品盒41的侧壁上设有通气孔16，该通气孔16的轴线与第二单畴超导块42的轴线垂直；非磁性细杆2与第二样品盒41的圆弧面固定连接，以使两个第二样品盒41内的第二单畴超导块42可以相对；也即上述的通气孔16与非磁性细杆2位于同一侧。
进一步地，如图6所示，是第二样品盒41与非磁性细杆的连接示意图，第二样品盒41与非磁性细杆2通过螺母固定。且第二样品盒41与非磁性支架6也通过螺母固定。
图7是第一永磁体22与非磁性细杆2的连接示意图，图8是非磁性细杆2与非磁性凸耳17的连接示意图。第一永磁22体上对称设置有非磁性凸耳17，非磁性细杆2与非磁性凸耳17通过螺母固定连接。图10是非磁性支架6与前一中间摆中的第二永磁体之间的连接示意图，如图所示非磁性支架6与前一中间摆的第二永磁体44通过螺母固定连接。
此外，单畴超导块的形状、尺寸应当同与其配合的永磁体尺寸相适应，比如第一单畴超导块21、第二单畴超导块42、第一永磁铁、第二永磁铁均为直径20mm或者30mm，或者第一单畴超导块21、第一永磁铁的直径为30mm，第二单畴超导块42、第二永磁体44的直径为20mm；
另外，第一单畴超导块21、第二单畴超导块42均通过海绵或者环氧树脂胶固定在第一样品盒31、第二样品盒41内；由于超导体只有在低温环境即在它的临界转变温度以下才具有超导性，在非磁性样品盒里盛放液氮，是为了使超导体处于超导态；优选采用海绵固定，海绵的作用不仅是固定超导体，也浸泡液氮，减缓液氮的挥发，使得超导体更长时间的浸泡在液氮里，从而较长时间地处于超导态，当然，也可以先用环氧树脂胶将超导块固定子啊样品盒内，然后再在样品盒与超导块之间填充海绵，如此一来，固定效果好，试验时稳定性更强，而且同时液氮的挥发速度也会更慢。
进一步地，支撑架1包括底板11、支撑杆12、横杆13，支撑杆12固定在底板11上，横杆13固定在支撑杆12顶部，且横杆13的自由端设有用于固定第一样品盒的固定件；具体的，支撑杆12可以是金属杆或者非金属杆，由于本实施例的复合摆距离支撑杆12的垂直距离较远，在30cm左右；而永磁体的磁性强弱从它的表面开始成e的负指数幂衰减,所以这里采用磁性材料作为支撑杆12对永磁体的基本没有影响.
在一种具体实施过程中，固定件为烧瓶夹,第一样品盒31通过烧瓶夹固定在支撑杆12的合适位置，且烧瓶夹便于第一样品盒31的固定和拆卸；
当采用烧瓶夹作为横杆13时，支撑杆12可以是一个竖直杆即可，通过十字夹将烧瓶夹固定在支撑杆12上。
在另一具体实施过程中，如图4所示，图4是横杆13与支撑杆12的连接示意图。横杆13可以是长条形杆，且横杆13一端通过螺栓与支撑杆12固定连接，横杆13另一端设置一用于固定第一样品盒31的圆环18，即固定件为圆环18。当采用自由端带有圆环18的细长杆作为横杆时，支撑杆顶部需要设有供横杆13穿过的固定部15，固定部15与横杆13通过螺栓固定。如图5所示，是支撑杆12与底板11的连接示意图；当然，横杆13与支撑杆12的固定方式不限于此。
非磁性细杆2可以是任何非磁性的刚性细杆，优选为圆柱形铜质细杆，非磁性支架6由多根非磁性细杆2构成。
第一永磁体、第二永磁体44为钕铁硼永磁体；第一单畴超导块21、第二单畴对称超导块均为rebcore=y、gd、sm系列的超导块材。
下面具体说明本实施例的混沌摆设计构思:利用单畴超导块材特殊的磁悬浮特性，将摆锤5与支撑架1之间悬空，因此在支撑架1与摆锤5（第二非磁性样品盒也可看做摆锤5）之间没有摩擦，并且利用悬空的特性可以将单摆做成一级一级耦合的复合摆，利用其各级摆的不同运动可以演示不同的运动状态，并且通过各级摆的运动的耦合可以模拟混沌现象。
实施例2:
参照图11，本实施例与上述实施例1的不同之处在于，在本实施例中，限定了中间摆各个部件的具体结构，具体的：优选所述第二单畴超导块42的形状与第二样品盒41相同均为圆柱形，且第二单畴超导块42固定在第二样品盒41的任一平面上。优选第二永磁体44为扁平圆柱体，第二永磁体44平行悬浮在两个第二畴超导块之间，即第二永磁体44的轴线与两个第二单畴超导块42的的轴线平行。
在本实施例中，摆绳3固定在第二永磁体44的弧形面上，且位于第二永磁体44轴线方向的中间处。
当复合摆具有多个中间摆时，本实施例的中间摆的结构可以位于多个中间摆的首位、中间位置、以及末位。
实施例3：
参照图12，本实施例与上述实施例2的不同之处在于，中间摆的结构不同，在本实施例中，所述第二单畴超导块42为环状超导块，所述第二样品盒41为圆柱形，第二样品盒41的任一平面上设有圆柱形凹槽43，圆柱形凹槽43使第二样品盒41内形成一个环形容纳腔，所述第二单畴超导块42设在所述环形容纳腔内，且圆柱形凹槽43的面积大于第二永磁体44的横截面面积；所述第二永磁体44两端分别插入至两个第二样品盒41的所述圆柱形凹槽43内，通过与两个环状的超导块相互作用力，从而悬浮在两个第二单畴超导块42之间；第二永磁体44不与第二样品盒41的任一面接触；第二永磁体44优选为长条形的圆柱体，长条形圆柱体两端分别插入两个第二样品盒41的圆柱形凹槽43内，且与任一第二样品盒41的任一面接触；
也即，在本实施例中，第二永磁体44的轴线与两个第二单畴超导块42的轴线平行。
本实施例的中间摆可以在第二样品盒41内第二单畴超导体失去超导环境，丧失超导态的情况下，防止第二永磁体44掉落。
在本实施例中，摆绳33固定在第二永磁体44的弧形面上，且位于第二永磁体44轴线方向的中间处。
当复合摆具有多个中间摆时，本实施例的中间摆的结构可以位于多个中间摆的首位、中间位置、以及末位。
实施例4：
本实施例与上述实施例2或3的不同之处在于，中间摆的结构不同，在本实施例中，所述第二单畴超导块42为环状超导块，所述第二样品盒41为圆柱形，第二样品盒41上设有贯穿第二样品盒41两平行面的圆柱形通槽，圆柱形通槽使第二样品盒41内形成一个环形容纳腔，所述第二单畴超导块42设在所述环形容纳腔内；且所述圆柱形通槽的面积大于第二永磁体44的横截面面积，第二永磁体44两端分别从圆柱形通槽穿出至所述第二样品盒41外侧。
本实施例的中间摆可以在第二样品盒41内第二单畴超导体失去超导环境，丧失超导态的情况下，防止第二永磁体44掉落。
当复合摆具有多个中间摆时，本实施例的中间摆的结构可以位于多个中间摆的首位、中间位置、以及末位。
实施例5：
如图13-16所示，本实施例中给出了具有两个中间摆的复合摆结构的一类结构，其中在第一个中间摆的结构与实施例2或者实施例3中的中间摆结构相同；第二个中间摆为实施例2中、实施例3或者实施例4中的中间摆的结构相同；
在本实施例中，相邻两个中间摆之间通过非磁性支架6连接，非磁性支架6包括水平杆，固定在水平杆中点处且位于水平杆上方的第一竖杆，固定在水平杆两端且位于水平杆下方的两根第二竖杆；其中第一竖杆与第一中间摆的第二永磁体44固定连接，如图6所示，两根第二竖杆底端分别与第二中间摆的第二样品盒41固定连接。
水平杆、第一竖杆、第二竖杆均为非磁性细杆2。
第二个中间摆的第二永磁体44底端中间位置固定摆绳3，摆绳3底端连接摆锤5。
实施例6：
本实施例中给出了具有两个中间摆的复合摆结构的另外一类结构，其中在第一个中间摆的结构与实施例4中的中间摆结构相同；第二个中间摆为实施例2中、实施例3或者实施例4中的中间摆的结构相同；
在本实施例中，非磁性支架6包括两根非磁性细杆2，两根非磁性细杆2顶端分别与第一个中间摆的永磁体两端连接，可以看出，两根细杆相对于该中间摆的两个第二样品盒41对称设置，且位于两个第二样品盒41外侧；两根非磁性细杆2底端分别与第二中间摆的两个第二样品盒41连接，使第二中间摆的两个第二样品盒41相对称设置在第一样品盒31下方；第二个中间摆的第二永磁体44底端中间位置固定摆绳3，摆绳3底端连接摆锤5。
实施例7:
本实施例具有n个中间摆；其中n=1、2、3、4、5......；
其中第1个中间摆可以是实施例2、实施例3、或者实施例4中的任一种；
第n-1个中间摆可以是实施例2、实施例3、或实施例4中的任意一种；
第n个中间摆可以是实施例2、实施例3、或者实施例4中的任意一种；
相邻两个中间摆可以根据选用的中间摆的结构灵活地采用实施例5或者实施例6中的非磁性支架6连接。
最后一个中间摆的第二永磁体44底端固定摆绳3，摆绳3底端连接摆锤5。
实施例8：
本实施例是上述实施例2、实施例3、实施例4的复合摆的制作方法，包括以下步骤：
包括以下步骤：
s1：将支撑杆12固定在底板11上，将所述横杆13通过十字夹或螺栓固定在支撑杆12的合适位置，完成支撑架1的制作；
s2：将第一样品盒31固定在所述横杆13自由端的固定件上，在第一样品盒31内放置第一单畴超导块21，并通过海绵和/或者环氧树脂胶将第一单畴超导块21固定在第一样品盒31底部；
s3：将一个第一永磁体22置于第一单畴超导块21下方，然后向第一样品盒31内注入液氮，当第一单畴超导块21处于超导态时，第一永磁体22悬浮与第一单畴超导块21下方；具体操作时，可以用手或者其他夹持工具将第一永磁体22设置在第一单畴超导块21下方均可，需要指出的是，第一永磁体22与第一单畴超导块21之间具有一定的间隙，以便于第一永磁体22可悬浮于第一单畴超导块21下方。
s4:制作中间摆：在两个第二样品盒41内放入第二单畴超导块42，并通过海绵和/或环氧树脂胶将第二单畴超导块42固定在第二样品盒41内，并使两个第二单畴超导块42相对，将第二永磁体44置于两个相对设置的第二单畴超导块42之间，然后向第二样品盒41内注入液氮，使第二单畴超导块42处于超导态，使第二永磁体悬浮与两个第二单畴超导块42之间；
同样的，具体操作时，可以用手或者其他夹持工具将第二永磁体44设置在两个第二单畴超导块42之间，需要指出的是，第二永磁体44与第二单畴超导块42之间存在间隙。
s5：两个第二样品盒41顶部分别固定一非磁性细杆2，该非磁性细杆2顶端与第一永磁体连接；
s6：在所述s4.2中的第二永磁体44底端固定一摆绳3，在摆绳3自由端固定一摆锤5。
实施例9：
本实施例是上述实施例5、实施例6、实施例7的复合摆的制作方法，与上述实施例8的不同之处在于，重复实施例8中的所述s4，以制作三个及三个以上的中间摆，后一个中间摆的两个第二样品盒41顶部分别与非磁性支架6的一端连接，非磁性支架6另一端与前一中间摆的所述第二永磁体44连接，以使各个中间摆连接在一起。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。