一种基于电磁定位的单摆实验系统的制作方法

本实用新型涉及教学实验设备技术领域，具体涉及一种基于电磁定位的单摆实验系统。

背景技术：

单摆实验是个经典实验，许多著名物理学家都对单摆进行过细致的研究，如伽利略的等时性原理；惠更斯利用等时性原理制造了惠更斯摆钟等。传统单摆实验是通过一根不会伸长的轻质细线上端固定、下端系体积很小的重球。给小球一个摆角后释放，小球在平衡位置往返作周期性摆动。传统实验室准确率很高。平均误差在2%~3%。但数摆次比较辛苦，容易出现人为错误。

随着现有的中学实验室中数字化技术手段的深入使用，本公司开发了能够实现平面二维实验室位置采集装置—--电磁定位板，但是与之配套使用的单摆实验装置现在并没有。因此需要一种基于电磁定位的单摆实验系统适应当前的现状。

技术实现要素：

1.所要解决的技术问题：

基于上述的技术问题，本发明提供一种基于电磁定位的单摆实验系统，利用电磁定位板进行采集单摆的摆球的位置，实现探究在一定摆角（5度角）范围内振幅和摆长的关系，且计算重力加速度g值的平面二维实验器。

2.技术方案：

一种基于电磁定位的单摆实验系统，其特征在于：包括电磁定位板组件、基体模块、摆动模块，配重块和信号源；所述电磁定位板组件包括竖直放置在水平面上的电磁定位板；基体模块包括铁架台组件与基座组件；所述铁架台组件包括竖直杆与水平杆，所述水平杆与竖直杆呈十字状；所述水平杆的两个端头正面均设置一个定位减震地脚，所述定位减震地脚正面与电磁定位板的背面相连接实现单摆运动所在的平面与电磁定位板平行；所述竖直杆的顶端固定安装基座组件；所述基座组件包括安装块、转轴、手拧螺钉与刻度盘；所述安装块底端设置的与竖直杆顶端相适应的凹槽，所述安装块的凹槽插入竖直杆的顶端实现安装块的固定；所述安装块的正面设置向正面水平延伸的固定转轴；所述转轴穿过刻度盘的通孔后能够与摆动模块相连；所述刻度盘正面设置测量单摆旋转角度的刻度。

所述摆动模块包括转动座、无油轴承、碳纤维管、信号源安装块；所述转动座设置用于插入转轴外端的孔，孔内腔中的内外两端均设置一个无油轴承实现绕转轴旋转；所述碳纤维管上端与转动座相连；所述碳纤维管下端与信号源安装块相连形成单摆装置；所述信号源安装块内部设置用于固定信号源的挖槽结构；所述信号源安装块两侧设置能够安装对称固定配重块的结构；实验时，所述电磁定位板夹在铁架台组件与刻度盘的中间；信号源安装块、安装在其两侧的固定配重块以及安装在信号源安装块中的信号源做作为单摆小球；碳纤维管作为摆线做单摆运动；单摆运动所在的平面与电磁定位板平行，且位于电磁定位板的正面；所述电磁定位板将采集的数据传输至电脑。

进一步地，所述电磁定位板组件还包括固定装置；所述电磁定位板通过固定装置固定在水平面。

进一步地，电磁定位板接收到来自信号源的电磁信号强度不同；通过内部计算获得定位数据信息，将信息以电信号形式通过电磁接收装置内部的通讯装置发送至计算机。

进一步地，所述信号源安装块的材料为聚四氟乙烯。

进一步地，所述摆动模块为三组，每组的碳纤维长度不同。

进一步地，所述碳纤维管的直径为2mm，所述信号源的外径为55mm，信号源最大外径为35mm。

在本实用新型中采用的电磁定位板具体的结构为内部表面横纵两个方向按一定规律均匀排布的矩形线圈阵列，矩形线圈阵列将接收到的电磁信号的强弱通过转换电路转换成电信号的强弱；通过电路将该信号发送至信号处理模块（信号处理模块的电路集成在电磁定位板中）信号处置模块将确认出发射模块的位置，并将位置信息通过蓝牙或者usb通讯传输至计算机端。

3.有益效果：

（1）本实验器使用电磁定位板实现对单摆小球的定位，并实时将信号传输至电脑进行存储，方便对实验数据的处理。通过电脑可以直接显示数据。

（2）本实验器中摆线选择碳纤维管作为摆线，解决信号源前后摆动问题，如果是用普通尼龙线，操作中会摆动撞到电磁定位板，发射的信号就不是正对着电磁定位板，采集的轨迹线和数据都是不准的。

（3）本实验器中采用信号源安装块，信号源安装块采用聚四氟乙烯是解决了其受到的重力小其实验结果误差比较大问题，配重目的，之所以用聚四氟乙烯是因为密度大，单位体积在所有塑料中最重，而不采用单位体积更重的金属材料，是因为金属材料包裹信号源，对发射信号有干扰。

综上可以看出本实验器结构简洁，安装操作方便，实验效果比传统实验准确的同时，可以采集单摆轨迹图像以及x-t、vx-t图象。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型部件安装示意图；

图3为基体模块结构示意图；

图4为安装模块结构示意图；

图5为摆动模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

如附图1-5所示，一种基于电磁定位的单摆实验系统，其特征在于：包括电磁定位板组件1、基体模块2、摆动模块3，配重块4和信号源；所述电磁定位板组件包括竖直放置在水平面上的电磁定位板；基体模块包括铁架台组件22与基座组件21；所述铁架台组件包括竖直杆与水平杆，所述水平杆与竖直杆呈十字状；所述水平杆的两个端头正面均设置一个定位减震地脚221，所述定位减震地脚正面与电磁定位板的背面相连接实现单摆运动所在的平面与电磁定位板平行；所述竖直杆的顶端固定安装基座组件21；所述基座组件包括安装块211、转轴213、手拧螺钉214与刻度盘212；所述安装块底端设置的与竖直杆顶端相适应的凹槽，所述安装块的凹槽插入竖直杆的顶端实现安装块的固定；所述安装块的正面设置向正面水平延伸的固定转轴213；所述转轴穿过刻度盘的通孔后能够与摆动模块3相连；所述刻度盘正面设置测量单摆旋转角度的刻度。

所述摆动模块包括转动座31、无油轴承32、碳纤维管33、信号源安装块34；所述转动座设置用于插入转轴外端的孔，孔内腔中的内外两端均设置一个无油轴承实现绕转轴旋转；所述碳纤维管上端与转动座相连；所述碳纤维管下端与信号源安装块相连形成单摆装置；所述信号源安装块内部设置用于固定信号源的挖槽结构；所述信号源安装块两侧设置能够安装对称固定配重块的结构；实验时，所述电磁定位板夹在铁架台组件与刻度盘的中间；信号源安装块、安装在其两侧的固定配重块4以及安装在信号源安装块中的信号源做作为单摆小球；碳纤维管作为摆线做单摆运动；单摆运动所在的平面与电磁定位板平行，且位于电磁定位板的正面；所述电磁定位板将采集的数据传输至电脑。

进一步地，所述电磁定位板组件还包括固定装置；所述电磁定位板通过固定装置固定在水平面。

进一步地，电磁定位板接收到来自信号源的电磁信号强度不同；通过内部计算获得定位数据信息，将信息以电信号形式通过电磁接收装置内部的通讯装置发送至计算机。

进一步地，所述信号源安装块的材料为聚四氟乙烯。

进一步地，所述摆动模块为三组，每组的碳纤维长度不同。

进一步地，所述碳纤维管的直径为2mm，所述信号源的外径为55mm，信号源最大外径为35mm。

具体实施例：

实验目的：探究单摆运动中摆长与振幅的关系。

实验步骤：

步骤一：如附图1所示将实验装置安装好，电磁定位板通过无线通讯与电脑实现通讯；

步骤二：将信号源安装块中放入信号源。

步骤三：使用其中一组摆动模块，将信号源安装块以摆角小于5度做单摆运动，用秒表测量单摆完成全振动n次（n=30或50）所用的时间t，则单摆的周期。反复测量3次，再根据t=2π算出测得的周期t的平均值。

步骤四：变更摆长，重做几次实验，将测出的摆长l和周期t代入公式，求出重力加速度g的值。

步骤五：打开信号源以及电磁定位板开关，将信号源安装块以摆角小于5度做单摆运动，电脑接收来自电磁定位板中的信号，显示摆动轨迹线，x-t、vx-t二维坐标图象。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。