专利名称：多功能变力作功实验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于物理实验仪。
1985年美国的Toel F Shenman在Am.J.Phys《美国物理杂志》撰文介绍了他们为学生开设变力作功实验的工作。已译成中文在《大学物理》1987年第11期第37－39页上刊载。此种实验仪其位移测量精度较低，位移△S只能准确到厘米位，而毫米位是估读的，另外功能较单一。
目前我国物理实验课程中，普遍开设着伸长法测金属丝杨氏弹性模量实验，其中对金属丝伸长这一微小长度的测量是用光杠杆进行放大测量的，参见文献(1)华中工学院等《物理实验》高等教育出版社1981年第1版219页，“光杠杆测微小长度的原理”；(2)华中工学院等《物理实验》高等教育出版社1981年第1版52页，“用拉伸法测金属丝的杨氏弹性模量”；(3)贾玉润等《大学物理实验》复旦大学出版社1987年第1版88页，“伸长法测钢丝杨氏模量”。
这些仪器不足之处在于光杠杆放大的局限性导致对金属丝伸长(位移)的测量范围较小；位移测量精度受竖尺精度、望远镜、D和b测量精度的影响，最好只能精确到0.01毫米；调节不方便，光杠杆，反射镜，望远镜等均需调节；成本较高；占用空间大；功能较少。
为发明一种位移测量精度较高，测量范围较大，制作方便，功能较多的实验仪，采用以下技术方案。
本实用新型是用双主尺，双游标位移测量装置来测量位移(或伸长)；配重若干种不同的卡具，用以固定不同的待测物体；对不同的待测物体，配置不同的砝码组。
装置的整体结构如图1所示，位移测量装置在仪器的中部，(8、9)是左右两个主尺，它们固定在可沿支架(4、5)上下移动的两个横梁(7)和(13)上，主尺与横梁垂直。(10、11)是左右两个游标，它们用螺钉固定在游标载体(12)上，可沿主尺边缘上下移动，工作时，整个位移测量装置可用螺钉固定在需要的高度；游标载体上端通过卡具(6)与待测物体(3)的下端固定在一起；游标载体下端通过连杆(14)连结砝码托(17)。待测物体上端通过卡具(2)固定在横梁(1)上，当在砝码托(17)上加减砝码时，待测物体受力变化，伸长量改变，游标随之移动，可测出待测物体下端的位移。
针对不同待测物体的卡具如图2所示。当待测物体为弹簧时如图2－(1)，将一端有圆孔的圆柱体(2－4－1)的另一端放入圆筒(2－2)中，旋紧顶丝(2－3)，使圆柱体固定，弹簧(2－5－1)的钩钩在圆孔中。当待测物体为金属丝时如图2－(2)，将下半部分为两个半圆柱体，另半部分为圆筒形的物体(2－4－2)放入圆筒(2－2)中，金属丝(2－5－2)从两个半圆柱体之间穿入，通过(2－4－2)后再通过圆筒(2－2)，将金属丝绕在螺钉(2－1)上，旋紧螺钉(2－1)以固定金属丝一端，然后拉直金属丝，把(2－4－2)放到合适位置，旋紧顶丝(2－3)使两个半圆柱体夹紧金属丝。当待测物体为乳胶管时，将乳胶管(2－5－3)套在一端有圆柱体(2－4－3)上，用细铁丝扎紧乳胶管，使乳胶管一端与圆柱体固定在一起。将圆柱体(2－4－3)的另一端放入圆筒(2－2)中，旋紧顶丝(2－3)，使乳胶管一端固定。
配置的砝码组均为有槽口的砝码，视待测物体的刚度大小制作质量大小不同的砝码组，以保证在砝码托上加减一个砝码时，其游标的位移适中，约在0.01－5毫米范围内。
采用上述实验仪器做变力作功实验。待测物体为弹簧，按照前面所述卡具固定弹簧两端。砝码组由一个大砝码和数个小砝码组成。小砝码质量与弹簧刚度相配合。例如，在砝码托上加减一个小砝码时，弹簧的伸长量改变1－2毫米。大砝码质量应比弹簧质量大得多(例如是弹簧质量的一百倍左右)；也应比小砝码质量大得多(例如是小砝码质量的二十倍左右)。这样，大砝码放在砝码托上时，比较而言，弹簧自身的质量就可以忽略不计；大砝码放在砝码托上时，在托上加减一个小砝码导致砝码总重量变化相对很小。实验时，先将大砝码放在托上。卡具、游标载体、连杆、砝码托及砝码可视为一物体P，它在总重力F1和弹簧的弹性力以及摩擦力作用下达到平衡(通过适当的数据处理可消除摩擦力的影响)。此时游标位置为X1。然后在砝码托上加一个小砝码，重力增加了△F1，达到平衡时，游标位置为X1＋△X1。此过程中重力作功近似为(F1＋△F1／2)△X1。陆续在砝码托上增加小砝码，平衡时测出游标位置，可计算出第i次加砝码过程中 重力 作的 功(Fi＋△Fi／2)△Xi。如共加了n个小砝码，则整个过程中重力共作功
(Fi＋△Fi／2)△Xi。由于整个过程中重力是变力，因而这是一个变力作功过程。另一方面，弹簧作用到物体P上的力也是变力，也可计算这个弹性力的功。再者，弹性力是保守力，如在实验中始终保持游标载体达到平衡，则重力作功应等于弹性势能的增量。可将弹性势能增量作为理论值去验证重力作功的实验数值计算结果。这一实验用具体问题表现数学上的定积分过程(即变力作功的过程)，可使学生将所学理论与实践有机结合，有助于对所学理论的理解、掌握。由于装置中采用双主尺、双游标测量位移，可大大增加学生使用游标放大方法的机会，有助于加强学生对这种基本放大方法的理解和掌握。由于位移测量精度较高，实验误差相对减少。
采用上述仪器做测钢丝的杨氏弹性模量实验。待测物体为钢丝，按照前面所述卡具固定钢丝两端用米尺测出钢丝在两卡具之间那一段的长度；用螺旋测微计测出钢丝各个不同部位的直径，取平均值。砝码选用质量为1－2公斤的大砝码。首先在砝码托上加一砝码，平衡时测出游标位置。再加另一砝码，达到平衡时再测出游标位置，这两个位置坐标之差即钢丝伸长量。由杨氏弹性模量计算公式可算出杨氏弹性模量。采用本装置测金属丝的杨氏弹性模量，首先使仪器调节步骤减少，即不需要调节反射镜、望远镜、竖尺等，学生可有更多时间从事有关实验数据的测量。第二，位移测量范围增大了，可达到20厘米。学生可多取点，测量更多的数据。第三，占用空间减少，同样教室中可安排更多的实验组。第四，省去了光杠杆、望远镜、竖尺及其支架，可大大降低成本。
总之，本实用新型采用前述技术手段后可取得如下效果一、提高了对位移的测量精度。由于这种装置测量位移时，位移在测量线上，因而测量精度主要取决于主尺和游标的精度。就目前技术水平，完全可以达到仪器误差不大于0.01毫米。又由于采用双主尺、双游标，因而每次测量可得到两个位移测量值，取二者平均作为测量结果可减少随机误差。二、位移测量范围较大，可达20厘米。三、减少了调节计算步骤。四、降低了成本。五、减少了占用空间。六、本仪器具有多种功能。一套装置可开设多个实验，如变力作功实验、测金属丝杨氏弹性模量实验、测乳胶管的力－－伸长曲线、测弹簧的刚度系数等。这可进一步节省实验费开支。七、本实用新型易于实施。
图1是多功能变力作功实验仪其中(1)——上横梁，(2)——卡具，(3)——待测物体，(4)——支架，(5)支架，(6)——卡具，(7)——横梁，(8、9)——左右两个主尺，(10、11)——左右两个游标，(12)——游标载体，(13)——横梁，(14)——连杆，(15)——砝码，(16)——下横梁，(17)——砝码托。
图2－(1)是待测物体为弹簧时的卡具其中(2－1)——螺钉，(2－2)——圆筒，(2－3)——顶丝，(2－4－1)——一端有圆孔的圆柱体，(2－5－1)——弹簧。
图2－(2)是待测物体为金属丝时的卡具其中(2－1)——螺钉，(2－2)——圆筒，(2－3)——顶丝，(2－4－2)——半部分为两个半圆柱体，另半部分为圆筒的物体，(2－5－2)——钢丝。
图2－(3)是待测物体为乳胶管时的卡具其中(2－1)——螺钉，(2－2)——圆筒，(2－3)——顶丝，(2－4－3)——一端有圆棱的圆柱体，(2－5－3)——乳胶管。
权利要求1.一种多功能变力作功实验仪，它有支架(4、5)，上下横梁(1、16)，待测物体(3)，卡具(2、6)，砝码(15)和砝码托(17)，其特征在于它还有左右两个主尺(8、9)，左右两个游标(10、11)，游标载体(12)，横梁(7、13)，连杆(14)，位移测量装置在仪器的中部，左右两个主尺(8、9)，它们固定在可沿支架(4、5)上下移动的两个横梁(7)和(13)上，主尺与横梁垂直，左右两个游标用螺钉固定在游标载体(12)上，游标可沿主尺边缘上下移动，工作时，整个位移测量装置可用螺钉固定需要的高度，游标载体上端通过卡具(6)与待测物体(3)的下端固定的一起，游标载体下端通过连杆(14)连接砝码托(17)，待测物体上端通过卡具(2)固定在横梁(1)上。
2.根据权利要求1所述的实验仪，其特征在于当待测物体为弹簧时，将一端有圆孔的圆柱体(2－4－1)的另一端放入圆筒(2－2)中，旋紧顶丝(2－3)，使圆柱体固定，弹簧(2－5－1)的钩钩在圆孔中。
3.根据权利要求1所述的实验仪，其特征在于当待测物体为乳胶管时，将乳胶管(2－5－3)套在一端有圆棱的圆柱体(2－4－3)上，用细铁丝扎紧乳胶管，使乳胶管一端与圆柱体固定在一起，将圆柱体(2－4－3)的另一端放入圆筒(2－2)中，旋紧顶丝(2－3)，使乳胶管固定。
专利摘要本实用新型属于物理实验仪。左右两个主尺固定在可沿支架上下移动的两个横梁上，主尺与横梁垂直，左右两个游标用螺钉固定的游标载体上，可沿主尺边缘上下移动。此实验仪的优点是提高了位移测量精度，仪器误差不大于0.01毫米，减少随机误差，测量范围较大，减少调节和计算步骤，降低成本，具有多功能并易于实施。
文档编号G09B23/10GK2090562SQ9120458
公开日1991年12月11日 申请日期1991年3月28日 优先权日1991年3月28日
发明者宋庆功 申请人:唐山工程技术学院