一种基于磁悬浮导轨的弹性恢复系数测量装置及测量方法

1.本发明涉及到的是物理实验器材和实验方法技术领域，特别涉及一种基于磁悬浮导轨的弹性恢复系数测量装置及测量方法。


背景技术：

2.水平导轨上对心碰撞过程中弹性恢复系数测量实验的实验目的是观察弹性碰撞和完全非弹性碰撞现象、测量弹性恢复系数、验证碰撞过程中动量守恒定律。目前该实验使用的器材包括：气垫导轨、滑块、电脑通用计数器、电子天平、游标卡尺、气源。实验原理是当两滑块在水平的导轨上沿直线作对心碰撞时，若略去滑块运动过程中受到的粘滞性阻力和空气阻力，则两滑块在水平方向除受到碰撞时彼此相互作用的内力外，不受其它外力作用。故根据动量守恒定律，两滑块的总动量在碰撞前后保持不变。此外，牛顿曾提出“弹性恢复系数”的概念，其定义为碰撞后的相对速度与碰撞前的相对速度的比值，用e表示。e＝0为完全非弹性碰撞，0《e《1为弹性碰撞。
3.目前该实验缺陷是：实际实验时，由于滑块运动在气垫导轨上受到一定的气流阻力，又由于导轨会有少许的弯曲，很难保证滑块在气垫导轨上匀速运动。在光电门测出的滑块运动的速度，都和碰撞前后瞬间相应的理论期待速度有些差异。目前减少差异的办法之一是尽可能缩短碰撞点到测速光电门间的距离。办法之二是进行“调平”气垫导轨，稍微倾斜气垫导轨，使滑块在气垫导轨上匀速运动。但是第一种处理方法没有消除弹性恢复系数测量的误差，只是减小了误差；第二种方法在处理碰撞后两物体反向运动的这一过程中，其中一个滑块在“调平”的气垫导轨上匀速运动，另外的一个运动的滑块就会减速运动，这样反而增大了弹性恢复系数测量的误差。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种基于磁悬浮导轨的弹性恢复系数测量装置，包括磁悬浮导轨、以及至少两个光电门测速器以及至少两个磁悬浮滑块；
5.所述磁悬浮导轨包括磁力控制器、上导轨和下导轨，所述下导轨为截面为倒u形，所述下导轨固定于上导轨下侧，所述上导轨内部上方设有第一电磁铁，所述上导轨内部两侧还分别第一永磁铁；所述下导轨内部下端内设有两第二电磁铁；所述磁力控制器与所述上导轨内的第一永磁铁和所述下导轨内的第二电磁铁相连；
6.所述磁悬浮滑块包括磁悬浮框体和遮光板；所述磁悬浮框体套于所述磁悬浮导轨上，且磁悬浮框体下端开口，所述遮光板连接于所述磁悬浮框体下端封闭其开口；所述磁悬浮框体内壁顶部设有与第一电磁铁对应的第三永磁铁，所述磁悬浮框体内壁两侧设有与第一永磁铁对应的第四永磁铁，所述遮光板上设有与第二电磁铁对应的第五永磁铁；
7.所述光电门测速器位于磁悬浮导轨两侧，且光电门测速器间隔设置；
8.所述磁力控制器用于控制第一电磁铁、第二电磁铁磁力大小，使磁悬浮滑块悬浮于磁悬浮导轨上，所述光电门测速器用于测量碰撞前后的磁悬浮滑块的速度，从而测量弹
性恢复系数。
9.进一步地，该测量装置还包括一通用计数器，所述通用计数器与所述光电门测速器相连，所述通用计数器用于显示光电门测速器测量得出的速度示数。
10.进一步地，所述遮光板两侧均设有载物槽，所述载物槽用于容纳配重砝码，以调节磁悬浮滑块整体重量。
11.进一步地，所述磁悬浮导轨两端下方分别设有一支撑架。
12.进一步地，两所述支撑架中其中支撑架为固定支撑架，另一支撑架为可调节支撑架。
13.进一步地，所述固定支撑架顶部通过球铰件与所述磁悬浮导轨相连，所述可调节支撑架包括两调节螺杆和支撑座，所述磁悬浮导轨的靠近所述可调节支撑架的端部两螺纹孔，两所述调节螺杆分别穿过两螺纹孔，所述调节螺杆下端支撑于所述支撑座上。
14.进一步地，所述上导轨截面为矩形。
15.本发明还提供一种弹性恢复系数测量方法，该方法利用上述的基于磁悬浮导轨的弹性恢复系数测量装置，该方法包括如下步骤：
16.s1：组装测量装置，开启磁力控制器使磁悬浮导轨通电，并通过磁力控制器调节磁悬浮导轨内电磁铁中的电流，使所有磁悬浮滑块悬浮；
17.s2：检查光电计时系统：来回滑动磁悬浮滑块，确定磁悬浮滑块能顺畅通过光电门测速器，并保证光电门测速器能正确测量磁悬浮滑块的通过速度；
18.s3：进行弹性碰撞实验：将第一磁悬浮滑块置于两光电门测速器之间并使其保持静止；将第二磁悬浮滑块置于两光电门测速器之外，驱动第二磁悬浮滑块滑动，使其碰撞第一磁悬浮滑块，光电门测速器感测第一磁悬浮滑块碰撞后的速度以及第二磁悬浮滑块碰撞前后的速度，重复上述过程多次；
19.s4：计算每次碰撞时的恢复系数e，取平均值。
20.进一步地，在步骤s1中，在调节磁悬浮导轨内电磁铁中的电流前，还要进行如下过程：
21.在磁悬浮滑块的遮光板上安装配重砝码，调节磁悬浮滑块重量至实验所需重量。
22.进一步地，在步骤s1中，在开启磁力控制器使磁悬浮导轨通电，还要进行如下过程：
23.调节磁悬浮导轨一端高度，使其与调节磁悬浮导轨另一端高度相同，从而保证调节磁悬浮导轨保持水平。
24.本发明一种基于磁悬浮导轨的弹性恢复系数测量装置及测量方法的有益效果为：该测量装置采用磁悬浮导轨代替传统实验装置的气垫导轨，可以减小滑块在弹性恢复系数测量实验中滑动的阻力，提高物理教学实验测量的精度；同时该装置结构简单，不需要各种繁杂的重复组装，便于搬运，适用课堂教学场景；本发明的方法具有易于动手操作、易于观察、可激起学生的学习欲望的优点，避免了因摩檫力因素而得出错误的科学概念的问题。
附图说明
25.图1是本发明实施例一种基于磁悬浮导轨的弹性恢复系数测量装置的结构示意图。
26.图2是图1中a-a处截面图。
27.图中：1-磁悬浮导轨，11-上导轨，12-下导轨，13-第一电磁铁，14-第一永磁铁，15-第二电磁铁，16-挡板，2-磁力控制器，3-固定支撑架，31-球铰链，4-可调节支撑架，41-调节螺杆，5-光电门测速器，51-通用计数器，6-磁悬浮滑块，61-磁悬浮框体，62-遮光板，63-第三永磁铁，64-第四永磁铁，65-第五永磁铁，66-配重砝码。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
29.请参考图1和图2，一种基于磁悬浮导轨的弹性恢复系数测量装置，包括磁悬浮导轨1、以及至少两个光电门测速器5以及至少两个磁悬浮滑块6，本实施例中，光电门测速器5和磁悬浮滑块6数量均为两个。
30.所述磁悬浮导轨1包括、上导轨11、下导轨12和磁力控制器2，所述上导轨11截面为矩形，所述下导轨12为截面为倒u形，所述下导轨12固定与上导轨11下侧，所述上导轨11内部上方设有第一电磁铁13，所述上导轨11内部两侧还分别两第一永磁铁13；所述下导轨12内部下端内设有两第二电磁铁15；所述第一电磁铁13、第二电磁铁14、第二电磁铁15均为条状结构，且镶嵌于所述磁悬浮导轨1内，所述磁力控制器2与所述第一永磁铁13和两所述第二电磁铁15相连，所述磁力控制器2用于改变第一永磁铁13和两所述第二电磁铁15内交变电流大小，从而改变第一永磁铁13、第二电磁铁15磁力大小。
31.所述磁悬浮滑块6包括磁悬浮框体61和遮光板62；所述磁悬浮框体61套于所述磁悬浮导轨1上，且磁悬浮框体61下端开口，磁悬浮框体61内壁与磁悬浮导轨1外壁具有一定间隙，所述遮光板62连接于所述磁悬浮框体61下端封闭其下端开口；所述磁悬浮框体61内壁顶部设有与第一电磁铁13对应的第三永磁铁63，所述磁悬浮框体内壁两侧设有于第一永磁铁14对应的第四永磁铁64，所述遮光板62上设有与第二电磁铁15对应的第五永磁铁65。所述磁力控制器2用于控制第一电磁铁、第二电磁铁磁力大小，使第一永磁铁13、第二电磁铁15分别对第四永磁铁64、第五永磁铁65产生斥力；且第一永磁铁13对第四永磁铁64斥力大于第二电磁铁15对第五永磁铁65产生的斥力，从而使磁悬浮滑块悬浮于磁悬浮导轨上。
32.两所述光电门测速器5设置于所述磁悬浮导轨1两侧，两个光电门测速器5间隔设置，本实施例中光电门测速器5间隔0.3m；所述光电门测速器5用于测量碰撞前后的磁悬浮滑块6的速度，从而测量弹性恢复系数。
33.需要说明的是，磁悬浮导轨1的磁悬浮滑块6主体材质都是不锈钢，这样可使磁悬浮导轨1的磁悬浮滑块6主体均不具有磁性，确保磁悬浮导轨1的磁悬浮滑块6主体受到磁悬浮导轨1和磁悬浮滑块6内的永磁铁、电磁铁磁性影响。所述磁悬浮导轨1内的第一电磁铁13、第二电磁铁15外均设有绝缘层，该绝缘层可以是绝缘漆、塑料层或橡胶层，绝缘层保证磁悬浮导轨1和磁悬浮滑块6均不带电，从而提高该实验装置的安全性。
34.进一步地，该测量装置还包括一通用计数器51，所述通用计数器51与所述光电门测速器5相连，所述通用计数器51用于显示光电门测速器测量出的速度示数。
35.进一步地，所述遮光板61两侧均设有载物槽，所述载物槽用于容纳配重砝码66，以调节磁悬浮滑块6整体重量，使其符合实验需要。
36.进一步地，所述磁悬浮导轨1两端下方分别设有一支撑架。两所述支撑架中其中支撑架为固定支撑架3，另一支撑架为可调节支撑架4。所述固定支撑架顶部通过球铰链31与所述磁悬浮导轨相连，所述可调节支撑架4包括两调节螺杆41和支撑座，支撑座上设有两限位孔，所述磁悬浮导轨1的靠近可调节支撑架4的端部设有两螺纹孔，两所述调节螺杆41分别穿过两螺纹孔，所述调节螺杆41下端支撑于所述支撑座上，转动两调节螺杆41可调节磁悬浮导轨1其中一端高度，从而使实验装置能在不平整的桌面调节至水平(调节两调节螺杆41的相对高度可以保证磁悬浮导轨1不侧倾)。
37.本发明还提供一种弹性恢复系数测量方法，该方法利用上述的基于磁悬浮导轨的弹性恢复系数测量装置，该方法包括如下步骤：
38.s1：组装测量装置，调节磁悬浮导轨1一端高度，使其与磁悬浮导轨1另一端高度相同，从而保证调节磁悬浮导轨1保持水平；在磁悬浮滑块6的遮光板上安装配重砝码66，调节磁悬浮滑块1重量至实验所需重量；开启磁力控制器2使磁悬浮导轨1通电，并通过磁力控制器2调节磁悬浮导轨1内电磁铁(第一、第二电磁铁)中的电流，使两磁悬浮滑块6悬浮；
39.s2：检查光电计时系统：来回滑动磁悬浮滑块6，确定磁悬浮滑块能顺畅通过光电门测速器5，并保证光电门测速器5能正确测量磁悬浮滑块6的通过速度；
40.s3：进行弹性碰撞实验：将第一磁悬浮滑块置于两光电门测速器5之间并使其保持静止；将第二磁悬浮滑块置于两光电门测速器5之外，驱动第二磁悬浮滑块滑动，使其碰撞第一磁悬浮滑块，光电门测速器5感测第一磁悬浮滑块碰撞后的速度以及第二磁悬浮滑块碰撞前后的速度，重复上述过程多次；
41.s4：计算每次碰撞时的恢复系数e，取平均值。
42.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
43.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。