单摆周期测量装置的制作方法

本实用新型涉及物理实验领域，具体涉及一单摆周期测量装置。

背景技术：

单摆是能够产生往复摆动的一种装置，主要包括摆线和摆球。单摆周期测量是物理实验中最基本的力学实验，旨在计算重力加速度。单摆做往复的简谐运动过程中，摆球的重力和摆线张力的合力，指向平衡位置，该合力可看成一条直线。摆球的重力加速度与摆线长度、单摆周期的关系为可见，只要能准确地获取单摆做简谐运动的周期，便可准确地计算出重力加速度。

现有技术中关于单摆周期的测量，给出不同的技术方案：手动秒表计时法，优点在于方便、成本低，缺点在于介入人为反应能力，得到的周期数据不准确；增设电子秒表计时器，在手动放开摆球后检测到有摆球运动时，由控制器启动电子秒表计时器开始计时，该技术方案的优点在于周期测量较为准确，但是仍然介入了人为操作摆球的因素，如操作不当，摆球运动过程中运动方向会发生偏移，必然影响周期测量。上述两种方案还存在一个共同的缺点，那便是仅能在固定的高度下重复做周期测量，不能实现不同高度下的周期测量，会影响后期数据的处理和对比，使得重力加速度值的准确度降低。

技术实现要素：

本实用新型提供单摆周期测量装置，为解决现有技术中存在“不能准确地提供单摆周期数据”的问题提供结构基础。

本实用新型通过以下技术方案解决技术问题：

单摆周期测量装置，主要包括控制器模块、继电器模块、电磁铁、光电门、显示模块、实验台、摆线和摆球；所述摆球通过摆线固定在实验台上；所述继电器模块的控制端与控制器模块连接，所述继电器模块吸合时为电磁铁供电，所述电磁铁吸附摆球，所述继电器模块断开时电磁铁断电，所述电磁铁放开摆球；所述光电门的输出端与控制器模块连接，所述光电门的发射和接收的连线与摆球做简谐运动的轨迹垂直；所述电磁铁与摆球等高，且电磁铁的中心在摆球做简谐运动的轨迹上；所述显示模块与控制器模块连接；所述实验台包括升降杆、支撑台和旋转模块；所述升降杆中空、内设齿条，在所述升降杆的两侧自升降杆的底面至90％高度的范围内设有开口；所述支撑台设有从齿轮和内齿轮；所述旋转模块)包括主齿轮、主动轴、方形槽、止旋块、通心孔、卡槽和旋钮；

所述从齿轮穿过升降杆一侧的开口进入升降杆内腔，所述从齿轮与所述齿条啮合；所述内齿轮紧贴所述支撑台，形成接触面，所述内齿轮与所述接触面同心，所述内齿轮与所述主齿轮啮合；所述方形槽、止旋块、通心孔和卡槽设置在所述旋钮内；所述主动轴横向贯穿所述升降杆，所述主动轴的一端设有主齿轮，所述主动轴的另一端穿过方形槽、通心孔固定于卡槽上；所述主齿轮紧贴所述升降杆的一侧，并与所述内齿轮啮合；在所述方形槽内设置止旋块卡合所述主动轴；为所述光电门设置支撑台，即光电门支撑台，所述光电门固定于所述光电门支撑台上；为所述电磁铁设置支撑台，即电磁铁支撑台，所述电磁铁固定于所述电磁铁支撑台上。

进一步地，所述电磁铁吸附所述摆球时，摆线与垂直方向的夹角小于15°。

进一步地，为所述摆线和摆球设置支撑台，即横杆；所述摆线的一端固定于所述横杆上，所述摆线的另一端连接摆球；在所述横杆上设置量角器，所述量角器测量摆线与垂直方向的锐角夹角。

进一步地，在所述升降杆上设置刻度尺；所述刻度尺与所述升降杆平行；所述刻度尺的量程大于所述摆线的长度。

进一步地，还包括无线传输模块；所述无线传输模块与控制器模块连接，所述无线传输模块还与外部终端无线连接。

进一步地，所述光电门主要包括u型本体、红外发射电路和红外接收电路；所述红外发射电路安装在u型本体的其中一个脚，所述红外接收电路安装在u型本体的另一个脚；所述红外发射电路与所述控制器模块连接；所述红外接收电路与所述控制器模块连接。

与现有技术相比，具有如下特点：

1、由控制器模块控制电磁铁的通断电来控制摆球做简谐运动的起始时刻，由光电门完成周期计时，光电门高度和电磁铁高度均可调，学生既可以在同一高度的检测位置完成多次简谐运动实验，也可以在不同高度的检测位置完成简谐运动实验，从横向和纵向获取周期数值，后期通过比对和运算，可剔除干扰数据，获取更为准确的重力加速度值；另外，摆球、光电门高度、电磁铁的高度对应，借助水平测试仪可准确地实现高度一致，避免简谐运动过程中方向发生偏移，影响测量结果；

2、可以通过改变摆线的长度来改变摆球的高度，也可以借助支撑台调整摆球的高度，以摆线和摆球的高度作为可变因素，光电门和电磁铁随之改变高度，以完成不同高度下的简谐运动实验，进一步地可排除可能存在干扰数据，以获取更为准确的重力加速度值；

3、在升降杆上设置量角器和刻度尺，方便于调整光电门、电磁铁、摆线和摆球的高度，还便于获取摆线长度数据，又节省简谐运动实验的前期准备时间，提高实验效率；

4、设置了无线传输模块，可将相关数据通过无线传输模块传输至外部终端，便于数据的归总。

附图说明

图1为本实用新型结构原理框图。

图2为光电门、摆球与升降杆的位置关系图。

图3为电磁铁、摆球与升降杆的位置关系图。

图4为支撑台、升降杆以及旋转模块的结构图。

图中标号为：1、底座；2、升降杆；3、旋转模块；4、横杆；5、摆线；6、摆球；7、光电门；8、光电门支撑台；9、电磁铁；10、容纳体；11、电磁铁支撑台；

31、主齿轮；32、主动轴；33：方形槽；34、止旋块；35、通心孔；36：卡槽；37、旋钮；

81、从齿轮；82、内齿轮。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于这些实施例。

单摆周期测量装置，主要包括控制器模块、继电器模块、电磁铁9、光电门7、显示模块、实验台、摆线5和摆球6；所述摆球6通过摆线5固定在实验台上；所述继电器模块的控制端与控制器模块连接，所述继电器模块吸合时为电磁铁9供电，所述电磁铁9吸附摆球6，所述继电器模块断开时电磁铁9断电，所述电磁铁9放开摆球6；所述光电门7的输出端与控制器模块连接，所述光电门7的发射和接收的连线与摆球6做简谐运动的轨迹垂直；所述电磁铁9与摆球6等高，且电磁铁9的中心在摆球6做简谐运动的轨迹上；所述显示模块与控制器模块连接。上述各个结构的原理框图如图1所示；光电门7、摆球6与升降杆2的位置关系如图2所示，该图也是实验台的侧视图；电磁铁9、摆球6与升降杆2的位置关系如图3所示，该图也是实验台的正视图。

继电器模块主要包括继电器，工作原理如下：当控制器模块向继电器提供触发电平时，继电器吸合，接通继电器的供电电源，为电磁铁9供电，当电磁铁9供电时，产生磁力，吸附摆球6；当控制器模块停止向继电器提供触发电平时，继电器吸合，断开继电器的供电电源，停止位电磁铁9供电，当电磁铁9断电时，磁力消失，放开摆球6。所述电磁铁9吸附所述摆球6时，摆线5与垂直方向的夹角小于15°，通常为6°-10°之间，该范围下，光电门7所检测到的数据较为稳定，统计的发射、接收阻断次数也适当，得到的周期数据最为准确。

所述光电门7主要包括u型本体、红外发射电路和红外接收电路；所述红外发射电路安装在u型本体的其中一个脚，所述红外接收电路安装在u型本体的另一个脚；所述红外发射电路与所述控制器模块连接；所述红外接收电路与所述控制器模块连接。红外发射电路主要包括红外发射管，由控制器模块为红外发射管提供供电电源。红外接收电路主要包括红外接收管和信号处理电路；红外接收管接收到信号后，经处理后送入控制器模块中。信号处理电路处理的内容为模数转换、驱动和转换。在简谐运动过程中，摆球6每次经过光电门7，会阻断光电门7的发射与接收，第一次阻断时，控制器模块启动内部计时，最后一次阻断时，停止计时，二者的差值便是单摆周期。

显示模块为液晶显示器，可用于显示各次实验的起始时间、终了时间以及单摆周期，还可显示计算得出的重力加速度值。

所述实验台包括升降杆2、支撑台和旋转模块3；所述升降杆2中空、内设齿条，在所述升降杆2的两侧自升降杆2的底面至90％高度的范围内设有开口；所述支撑台设有从齿轮81和内齿轮82；所述旋转模块3包括主齿轮31、主动轴32、方形槽33、止旋块34、通心孔35、卡槽36和旋钮37；所述从齿轮81穿过升降杆2一侧的开口进入升降杆2内腔，与所述齿条啮合；所述内齿轮82紧贴所述支撑台，形成接触面，所述内齿轮82与所述接触面同心，所述内齿轮82与所述主齿轮31啮合；所述方形槽33、止旋块34、通心孔35和卡槽36设置在所述旋钮37内；所述主动轴32横向贯穿所述升降杆2，所述主动轴32的一端设有主齿轮31，所述主动轴32的另一端穿过方形槽33、通心孔35固定于卡槽36上；所述主齿轮31紧贴所述升降杆2的一侧，并与所述内齿轮82啮合；在所述方形槽33内设置止旋块34卡合所述主动轴32；为所述光电门7设置支撑台，即光电门支撑台8，所述光电门7固定于所述光电门支撑台8上；为所述电磁铁9设置支撑台，即电磁铁支撑台11，所述电磁铁9固定于所述电磁铁支撑台11上。支撑台、升降杆2以及旋转模块3的结构图如图4所示。

进一步地，在卡槽36内部还设有橡胶垫圈，主动轴32穿过方形槽33、通心孔35、橡胶垫圈后通过螺丝固定在卡槽36上。

旋转按钮37与方形槽33、止旋块34、通心孔35和卡槽36的相对位置固定，调整高度时，旋转按钮37，主动轴32旋转，带动主齿轮31运转，进而带动内齿轮82运转，再带动从齿轮81运转，从齿轮81运转的过程中支撑杆沿着升降杆2的齿条完成升降运动。

为所述摆线5和摆球6设置支撑台，即横杆4；所述摆线5的一端固定于所述横杆4上，所述摆线5的另一端连接摆球6。通过旋转横杆4上的旋转模块3，便可以调整摆球6的高度，还可以通过改变摆线5的长度来改变摆球6的高度；通过旋转光电门支撑台8上的旋转模块3，便可以调整光电门7的高度；通过旋转电磁铁支撑台11上的旋转模块3，便可以调整电磁铁9的高度。摆球6、光电门7以及电磁铁9的高度是对应的：摆球6做简谐运动时必须切割光电门7的发射和接收之间的连线，最优的切割方式是摆球6的简谐运动轨迹与光电门7的发射和接收的连线垂直；摆球6的中心和电磁铁9中心等高，且电磁铁9的中心必须在摆球6做简谐运动的轨迹上。上述高度的调整，可借助水平仪判断是否达到高度的一致。

进一步地，可在所述横杆4上设置量角器，所述量角器测量摆线5与垂直方向的锐角夹角。在横杆4上设有挂孔，用于拴摆线5，摆球6以挂孔为圆心做简谐运动；在挂孔处设置量角器，用于检测摆球6与垂直方向的锐角夹角。

在所述升降杆2上设置刻度尺；所述刻度尺与所述升降杆2平行；所述刻度尺的量程大于所述摆线5的长度。刻度尺可与量角器同设置在挂孔处，用于测量摆线5的长度。实验时，可通过调整摆线5长度以调整摆球6的高度进行单摆实验。

实验台还设置了底座1，升降杆2固定于底座1上，底座1支撑起所有部件。实验台还设置了容纳体10，将控制器模块、继电器模块和显示模块安装在容纳体10中。

本实用新型还设置了无线传输模块；所述无线传输模块与控制器模块连接，所述无线传输模块还与外部终端无线连接。无线传输模块可将各次单摆实验的数据传输至外部终端，便于数据的归总。