多功能能量守恒综合实验仪的制作方法

1.本发明涉及一种物理学的实验装置，尤其指一种多功能能量守恒综合实验仪。


背景技术：

2.随着高等教育改革的深入发展，综合设计性实验项目变得越来越重要，各个高校也在逐步增加实验教学中综合设计性实验所占的比例，但是现有技术中综合性设计性实验的仪器不够多，大多数的仪器还是针对单一实验内容的。比如：单摆实验是国内各个高校大学物理实验常做的一个实验项目。在现有技术中，单摆实验仪包含有底座和固定在底座上的立杆，立杆的上端固定有吊架，用一条很细的轻质线绳把铁制的摆球悬挂在吊架上，然后用手将摆球拉开一定小角度，任小球自由往复摆动，这就形成了单摆。然后用秒表或专用的光电门配合周期测定仪来采集周期t，再量出摆线长、摆球直径计算得出摆长l，就可根据公式g=4 *3.14*3.14l/t2计算出重力加速度g。但是它也只能用来做单摆实验，涉及的是单一的知识点，也无法用来做机械能能量守恒的实验内容。现有技术中能做机械能量守恒实验的仪器造价高、需要用庞大的气垫导轨系统，使用不便，更无法用来做单摆实验及动能转化为弹性势能的实验内容。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种既可做单摆实验内容、又可做机械能能量守恒实验内容的多功能能量守恒综合实验仪，它可结合力学中的多个知识点进行综合性实验，并且仪器操作简单方便、成本低。
4.为了实现上述目的，本发明包含底座1，底座1的底部安装底脚螺丝14，底座1的上部安装立杆2，立杆2上端安装吊架3，吊架3上安装吊架螺丝4，摆线5的上端安装在吊架3上，摆线5的下端与摆锤6连接，支架7通过支架螺丝8可调式安装在立杆2上。支架7的右半段套合式安装光电门活动支架11，光电门活动支架11上安装光电门9，光电门9通过多芯电线与光电计时器12相互电连接。
5.为了可以做动能转化为弹性势能能量守恒的实验内容，在支架7的左半段套合式安装活动框16，活动框16上安装弹性势能组件17及制动螺丝26。弹性势能组件17最底部的是底板23，底板23的长条边缘两侧各开了一条导轨槽22，位移板20的地脚插入导轨槽22内，位移板20的竖起部分高度不低于推杆18的水平高度。弹性的压簧19的左端头和推杆托25两者都固定在底板23上，压簧19的右端头及推杆18的右端头两者都固定在推动板21上，推动板21的地脚插入导轨槽22内，推杆18穿过压簧19及穿过推杆托25的竖起部分的圆孔中。底板23上带有位移刻度24，以方便读取压簧19的压缩距离。为了方便读取摆锤上升的高度，支架7的右端头竖直安装高度尺15。
6.由于本发明在现有技术中的单摆实验仪中增加了光电门9、光电门活动支架11、光电计时器12等构成的摆锤6测速系统，实验时可以测量摆锤到达最低端的最高速度，从而计算出摆锤到达最低端的最大动能，再通过高度尺15测出摆锤6最高位置，算出摆锤6静止时
的势能，进而验证势能到动能转化的机械能守恒；又因为增加了弹性势能组件17及相应的构件，还可以测量摆锤6的重力势能-动能最后转化成弹簧的弹性势能的实验内容；当然，还可做通常的单摆实验内容。这就使得该仪器即可做重力势能-动能-弹性势能之间转化的能量守恒实验，又可作单摆实验，实验的综合性强，涉及了多个知识点。本发明可综合单摆、重力势能、机械动能、弹性势能、弹性系数、机械能守恒等知识点进行教学，可提高学生对知识的综合应用能力。并且本发明只是在普通单摆实验仪基础上增加了成本和体积都很低的弹性势能组件17等，性价比很高，体积小，使用操作很方便和简单。做能量守恒实验内容时，比现有技术的气垫导轨实验方法更方便且增加了弹性势能实验内容，解决了现有技术中缺少动能向弹性势能转化能量守恒的实验内容问题。
附图说明
7.图1是本发明的整机构造原理示意图。
8.图2是本发明弹性势能组件17的构造原理俯视图。
具体实施方式
9.在图1中，底座1的底部的靠桌面一侧安装三个底脚螺丝14，用于调节立杆2从而调节摆线5的平衡态垂直度。底座1的上部螺丝扣式安装立杆2，立杆2上端套合式安装吊架3。吊架3上安装吊架螺丝4，通过松开及紧固吊架螺丝4可以调节吊架3的高度。摆线5的上端安装在吊架3上（也可再增加调节摆线长度的卷扬螺丝以方便调节摆线5的长度）。摆线5的下端与钢或铁材料制的摆锤6连接。摆锤6要制成圆柱形状的，目的是便于准确计时（摆锤6经过光电门9时挡光所用时间不随摆锤6高度而变化）。支架7的短边与立杆2套合式安装，并通过松紧支架螺丝8可调式安装在立杆2上，使得支架7的高度可以调节，以适应不同摆长实验的要求。支架7的右半段套合式安装光电门活动支架（11），以适应不同摆角实验及将光电门9调到支架7中心位置测摆锤6最高速度的要求。光电门活动支架（11）的内部尺寸略大于支架7的外部尺寸，以便于两者之间可以滑动调节。定位螺丝10拧松后可调节光电门活动支架（11）在支架7上的位置。光电门活动支架（11）采用铸铝或注塑结构一次成型。光电门活动支架（11）上用螺丝固定安装光电门9，光电门9（或者说光电门9上的发光及接收管）通过多芯电线与光电计时器12相互电连接。220伏电源插头13与光电计时器12的电源输入端并联。光电门活动支架11的左侧（也即当光电门活动支架11往左滑动被支架7的短边挡住的那侧），开个宽度比支架7厚度略大的开槽（只开一多半就行），以使得光电门活动支架11可以移动到支架7的中心位置附近。这样就可测量计算摆锤6降落到最低位置时的最大速度，进而计算摆锤6的最大动能。
10.为了可以做摆锤6的重力势能转化成动能再转化为压簧19的弹性势能能量守恒的实验内容，在支架7的左半段套合式安装活动框16，活动框16的内部尺寸略大于支架7的外部尺寸，以便于活动框16在支架7上滑动。活动框16的右外侧，也有个宽度比支架7厚度略大的开槽，以使得弹性势能组件17的右端可以移动到支架7的中心位置。活动框16上固定（可用图示的螺丝固定）安装弹性势能组件17及制动螺丝26。弹性势能组件17不便于在图1中画出，只好用虚线框画出代表之，其详细具体结构请见图2。在图2中，弹性势能组件17的最底部是底板23，底板23可用厚度2.5毫米的铁片冲压弯折制造。底板23的长条边缘两侧各开了
一条导轨槽22（其宽度2.8毫米）。位移板20可用一个厚2.5毫米的铁片制造，其地脚向下垂直弯折而成，地脚的高度大于7毫米为宜（为防止学生实验时误拔出，地脚插入导轨槽22后再弯折一下）。位移板20的地脚插入导轨槽22内。位移板20的左侧竖起部分（见位移板20左侧的深灰色区域）由位移板20左边向上弯折而成。位移板20左侧的竖起部分高度要不低于推杆18安装后的水平高度，以使推杆18（图2中浅灰色区域）可以向左推动位移板20。弹性的压簧19的左端头和推杆托25两者都用螺丝固定在底板23上，压簧19的右端头及推杆18的右端头两者都用螺丝固定在推动板21上。推动板21的制造和安装方法可参考前述的位移板20。推动板21右侧的竖起部分（灰色区域）与推动杆18右端头用螺丝紧固在一起，推动板21的高度2-3厘米为宜。推动板21的地脚插入导轨槽22内。推杆18可用硬质塑料制作，其半径要略小于弹性压簧19的内直径。推杆托25也是用铁片制作，其弯折竖起部分钻个直径略大于推杆18直径的圆孔，以使推杆18可以在孔中纵向自由活动但横向不能活动而起到定位作用。推杆18穿过压簧19及穿过推杆托25的竖起部分的圆孔中。为了便于读取摆锤6打在推动板21上，使推杆18及位移板20同步向左移动的距离，底板23上要带有位移刻度24，以方便读取压簧19的压缩距离。为了方便读取摆锤6上升的高度，支架7的右端头可竖直安装高度尺15，用两个螺丝把带刻度的直尺固定在支架7的右端头作为高度尺15，该直尺长度15-30厘米即可。
11.本发明的支架7的短边和支架7的长边（即支架的左半段和右半段）为一体的总称支架7。
12.本发明的工作原理如下：1.单摆实验内容。单摆实验内容可参照现有技术中的做法就行，不再叙述。
13.2.重力势能与机械动能的相互转化能量守恒实验内容。这需要首先拧松定位螺丝10，把光电门活动支架11连同光电门9移到摆锤6到达的最低位置（也即支架7的中心位置），也即其重力势能转化而来的动能最大的位置。用摆锤6拉紧摆线5，并把摆锤6贴到高度尺15上并读出高度h，然后释放摆锤6使其顺时针向下左方摆动。当摆锤6摆到最低位置速度也最大。圆柱形状的摆锤6在最低位置时划过光电门9，光电门中的光发射和光接收管就把摆锤6的这个挡光时间信息送给光电计时器12，光电计时器12就显示出该挡光时间。用摆锤6的直径除以挡光时间就是最高速度v，从而摆锤6到达最低点的动能为0.5mv2,而摆锤6在最高点的重力势能为mgh,如果mgh≈0.5mv2，则机械能量守恒得到验证。
14.3.重力势能与弹性势能的相互转化能量守恒实验内容。这需要首先拧松制动螺丝26，把活动框16连同弹性势能组件17移到支架7的中心位置。还要把位移板20向右滑动贴近推杆18的左端头。还要试验摆球6打在弹性势能组件17上的推动板21上后，摆球6贴在推动板21上移到最左端且没分开前它是否在支架7的中心位置，否则适当调节活动框16位置。撞击后位移板20在推杆18推动下向左滑动一定位移量x（其数值从位移刻度24上读出），并且位移板20不会跟着压簧19及推杆18向右弹性复位移动的，因为位移板20与推杆18之间无固定连接关系。如果mgh≈0.5kx2，则重力势能转化成弹性势能相互转化的能量守恒得到验证。k为压簧19的弹性系数，可以直接给出，也可让学生自己去测量，方法是给学生一个弹簧秤去拉压簧19（通过往右拉推动板21来实现），再用压簧19的伸长量l（可从位移刻度24上直接读取）及弹簧秤的力读数f，通过胡克定律计算得到k=f/l。
15.可见本发明可综合单摆、重力势能、机械动能、弹性势能、弹性系数、机械能守恒等
知识点进行实验教学，可提高学生对知识的综合应用能力。并且本发明只是在普通单摆实验仪基础上增加了成本和体积都很低的弹性势能组件17等，性价比很高，体积小，使用操作很方便和简单。它即可用于做传统的单摆实验，又可作机械能量守恒实验，并且不光是传统的势能与动能之间转化的能量守恒实验内容，还有现有技术中缺少的重力势能与弹性势能之间相互转化的能量守恒实验内容。
16.本实施例的机械结构件的参数如下：底座1的直径、厚度分别为33、1厘米；立杆2的长度、直径分别为110、1.6厘米；吊架3的长、宽、厚分别为7、3、2.3厘米；支架7的宽度、厚度分别为3、2厘米；支架7的短边、长边长度分别为8、47厘米。弹性势能组件17的长、宽分别为13、4厘米（也即底板23的尺寸）。推杆18的直径、长度分别为1、10厘米。压簧19的直径1.2厘米,压簧19的钢丝直径为0.2-0.6毫米。摆锤6的直径2-4厘米，摆锤6的高度2-4厘米。摆锤6的质量和尺寸要与压簧19的弹力相互配套，以使摆锤6从30厘米高度摆下后击在弹性势能组件17上后压簧19形变（即位移板20左移距离）不超过3厘米为宜。本实施例的上述构件大部分可采用金属材料制作。光电门9及光电计时器12用现有技术的就可。
17.本发明可以做些变化，比如：弹性势能组件（17）也可制造成其他结构的，其中把压簧19改成拉簧，此时要参考上述相应改变弹性势能组件（17）中的其他构件的安装方式。但这些变化没有离开本发明的实质。