一种多功能单摆实验装置的制作方法

本实用新型属于实验器材技术领域，涉及一种多功能单摆实验装置，可实现测量重力加速度、研究摆长与周期的关系、验证周期与摆球质量的关系和测量地球自传。

背景技术：

利用单摆测量重力加速度的实验是大学物理实验中的经典实验之一，该实验通过测量振动周期t和摆长l，利用公式测量重力加速度。传统的利用单摆测量重力加速度的实验装置未安装摆长测量组件，摆长的测量需要两步完成，首先利用厘米尺测量绳长，再次利用游标卡尺测量摆球半径。由于摆线一段有固定架另外一端连接小球，给精确测量摆长带来一定困难，且测量精度不足，操作误差较大。该实验关键环节之一是控制摆角小于5度，现有实验装置是将摆线拉直进行比照摆角。受尺寸所限，现有实验装置的摆幅刻度尺的曲率半径通常为50cm，因此若想观察摆长小于50cm的单摆运动，则无法精确控制摆角。而实验中，需要对多种摆长进行测量，而目前的设备很难实现小于50cm摆长的准确测量。此外，现有的实验装置手动释放小球，实验过程中非常容易产生圆锥摆，给测量结果带来操作误差。另一方面，利用单摆实验验证地球自转及测量地球自转速度是物理学十大经典实验之一，但现有单摆实验装置无法再现该经典内容。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种多功能单摆实验装置。

本实用新型包括支架机构、重力加速度测量机构、地球自转测量机构、计时器。

所述的支架机构包括底座和垂直设置在底座上的支杆。所述的支杆包括固定杆和伸缩杆，固定杆的一端固定安装在底座上，伸缩杆部分设置在固定杆内，通过上下伸缩改变支杆的长度，并通过伸缩锁紧螺丝锁紧。

所述重力加速度测量机构包括直尺、摆幅刻度尺、摆球组件、摆球控制组件、计数组件。

直尺的一端安装在固定杆中部以上位置，直尺以安装点为圆心可在垂直于底座顶面平面上偏转；圆弧形的摆幅刻度尺安装在固定杆中部以下位置；直尺平面与摆幅刻度尺平面平行。

所述的摆球组件包括摆线控制架、摆球和摆线。摆线控制架设置在固定杆中部以上位置，摆线的一端与摆球固定连接，另一端设置在摆线控制架上，通过旋钮调节摆线的长度。摆球摆动时，摆线的固定点与直尺的安装点的连线垂直于直尺所在平面，且平行于底座顶面平面。

所述的摆球控制组件包括移动座、调整座、摆球控制件。移动座活动设置在直尺上，可沿直尺直线移动，并通过螺丝锁紧。调整座设置在移动座上，摆球控制件设置在调整座上，移动座、调整座、摆球控制件的移动方向互相垂直；摆球控制件头部设置有电磁铁。

所述的计数组件包括光电传感器和计数器。

所述的地球自转测量机构包括摆绳控制架、摆锤、摆绳、激光器、感光纸。摆绳控制架设置在伸缩杆中部以上位置，摆绳的一端设置在摆绳控制架上，通过旋钮调节摆绳的长度。所述的摆锤为锥形，内置激光器，激光器发射光由摆锤锥顶的开口射出，摆锤锥底与摆绳的另一端连接。所述的感光纸平铺在底座上。

进一步，所述的移动座为游标，移动座下部设有游标尺，移动座与直尺形成游标卡尺结构，通过游标尺测量摆长，可以更加精确测量摆长。

进一步，所述的底座水平设置，通过下方的水平调节螺丝调节底座上表面保持水平。

进一步，所述的直尺刻度大于等于50cm。

进一步，所述的摆幅刻度尺上开有弧形槽；弧形槽上设置锁紧块，直尺中部或下端刻度与摆幅刻度尺的弧形槽位置对应。

进一步，所述的摆球上刻有中心线，方便定位和目测摆长。

通电状态下，金属摆球吸附在摆球控制件头部，调整移动座，使摆线拉直；调整调整座，使摆线与直尺平面平行；调整摆球控制件，使摆球的中心对准直尺边沿，通过摆球中心线读出摆长；断电后，摆球自然开始摆动。

本实用新型采用电磁铁控制摆球释放，通过摆球控制组件保证摆球沿同一平面摆动，避免了圆锥摆的现象；同时可以方便读取摆长和摆幅，还可以任意调整摆长，增强了实验效果。本实用新型还可以完成地球自转测量的实验，增加了实验项目。本实用新型简化了测量操作，节省了测量时间，提高了测量精度。

附图说明

图1为本实用新型的正面结构示意图；

图2为本实用新型的背面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型做进一步说明。

一种多功能单摆实验装置，包括支架机构、重力加速度测量机构、地球自转测量机构、计时器。

如图1所示，支架机构包括底座1和垂直设置在底座上的支杆2。底座1水平设置，通过下方的水平调节螺丝1-1调节底座上表面保持水平。支杆2为两段可伸缩式结构，包括固定杆2-1和伸缩杆2-2，固定杆2-1的一端固定安装在底座1上，伸缩杆2-2的部分设置在固定杆2-1内，通过上下伸缩改变支杆2的长度，并通过伸缩锁紧螺丝2-3锁紧。

重力加速度测量机构包括直尺3、摆幅刻度尺4、摆球组件、摆球控制组件、计数组件。

直尺3的一端安装在固定杆2-1中部以上位置，直尺3可以安装点为圆心在垂直于底座1顶面平面上偏转，并通过螺丝锁紧；直尺3刻度大于等于50cm。

圆弧形的摆幅刻度尺4安装在中部以下位置，摆幅刻度尺4上开有弧形槽4-1，弧形槽4-1上设置锁紧块4-2。

直尺3平面与摆幅刻度尺4平面平行，直尺3下端刻度与摆幅刻度尺的弧形槽4-1位置对应。

摆球组件包括摆线控制架5、摆球6和摆线7。摆线控制架5设置在固定杆2-1中部以上位置，摆线7的一端与摆球6固定连接，另一端设置在摆线控制架5上，通过旋钮调节摆线7的长度。摆球6上刻有中心线。摆球摆动时，摆线7的固定点与直尺3的安装点的连线垂直于直尺3所在平面，且平行于底座1顶面平面。

摆球控制组件包括移动座8、调整座9、摆球控制件10。移动座8活动设置在直尺3上，可沿直尺直线移动，移动方向与直尺平面平行，并通过螺丝锁紧。调整座9设置在移动座8上，可沿与垂直于直尺平面的方向移动，并通过螺丝锁紧。摆球控制件10设置在调整座9上，其直线移动方向垂直于移动座8的移动方向和调整座9的移动方向。摆球控制件10头部设置有电磁铁：通电状态下，金属摆球吸附在摆球控制件10头部，调整移动座8，使摆线拉直；调整调整座9，使摆线与直尺平面平行；调整摆球控制件10，使摆球的中心对准直尺边沿，通过摆球中心线读出摆长；断电后，摆球自然开始摆动。移动座也可以设计成游标，移动座下部设有游标尺，移动座与直尺形成游标卡尺结构，通过游标尺测量摆长，可以更加精确地测量摆长。

计数组件(图中未画出)包括光电传感器和计数器。光电传感器设置在摆幅中心位置，每次摆球或摆线经过，光电传感器即可感应，并发送信号给计数器进行计数，属于成熟的现有技术。

实验中，将直尺3偏转小于5度，调整调整座9和摆球控制件10，使摆线拉直并平行于直尺平面，将电磁铁断电后，摆球自然开始摆动，同时开始计时。需要改变摆长重新测量时首先调整移动座8到指定位置，重复上述操作。该装置可以在直尺范围内任意调整摆长。

如图2所示，地球自转测量机构包括摆绳控制架11、摆锤12、摆绳13、激光器14、感光纸15。

摆绳控制架11设置在伸缩杆2-2中部以上位置，摆绳13的一端设置在摆绳控制架11上。摆锤12为锥形，内置激光器14，激光器14发射光由摆锤12锥顶的开口射出，摆锤12锥底与摆绳13的另一端连接。感光纸15平铺在底座1上。

测量地球自转对摆长和摆幅没有严格要求，考虑到空气阻力和动力损耗，适当增加支杆2高度延长摆长，并加大摆幅。地球自转一周为24小时，即24小时激光器14在感光纸15上画出圆形的摆动路线。通常用记时器记录15～60分钟，则感光纸15上形成3.75～15度的两个扇形图案，即摆锤的摆动路线，可以很清晰地测算地球自转时间。

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