一种光电计时器的时间补偿方法
【专利摘要】本发明属于光电机械领域，本发明为解决因剩磁造成光电计时器时间滞后提供了一种新的技术方案。本发明的技术方案：一种光电计时器的时间补偿方法，其特征是：步骤一，获得试验地点的重力加速度数值，步骤二：理论计算重物（5）从电磁铁释放，下落高度为h3应该用时为t5，且h3等于13cm，步骤三：实际测量重物（5）从电磁铁释放，下落高度为h3实际用时为t6，步骤四：旋转通过铁芯（1）上端内丝的螺杆（6），调整螺杆（6）的长度，再次测量重物（5）从电磁铁释放至下落到高度为h3的实际时间，步骤五：重复步骤三或/和步骤四，直至t6等于t5。
【专利说明】一种光电计时器的时间补偿方法
[0001]一种光电计时器的时间补偿方法
本申请是申请日为2012年12月3日、申请号为2012105058673、发明名称为“一种光电计时器的时间补偿装置和方法”的专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种用于力学的教具，具体的说涉及的是一种用于自由落体计时器时间补偿的装置。
【背景技术】
[0003]有关自由落体的实验，测量时间的方法和装置已经非常先进，有一种比较普及而且比较精确的光电计时装置是这样的:用电磁铁吸引一个重物，这个重物应当是软磁性材料(所谓软磁性材料，是指:在磁场作用下，该材料具有磁性，磁场消失，该材料磁性也消失。比如:铁)，断开电磁铁线圈电流的同时开始计时，重物通过下方的光电门(也叫做槽形光耦)时，被光电门感知到信号，通过外围设备(或者称为外围电路)，可以获得该过程(从断开电磁铁线圈到重物达到光电门)的时间，然后，就把这个时间作为重物运动的时间，外围设备还可以显示(输出)这个时间。
[0004]并且，重物下落的距离是易于测量的，再利用运动学的公式，可以得到该过程的加速度。
[0005]事实上，某地区重力加速度的数值是容易在相关手册上查找得到的，并且可以得到非常精确的重力加速度数值。
[0006]换句话说，重物下落的时间，是可以由力学公式，尤其是其中运动学的公式计算得到的，但是，下落时间的试验值和理论值总是有误差，有的误差是有规律可循的。例如:
现代的电子技术可以把时间记录的非常精确，以至于对运动稍有影响的因素都会被反映出来。电磁铁断电后的很短时间、很短距离内，电磁铁和重物之间仍然有吸引的作用，这个吸引包括电磁铁剩磁对重物的吸引力，还包括重物的剩磁对电磁铁铁芯的吸引力，仅考虑该因素，该因素会导致重物实际下落的时间比理论时间稍长。这就导致利用该数据用来后续计算的误差较大。
[0007]重物同时还受空气阻力的作用，这种影响和很多因素有关，其中一个因素是重物的速度，速度越大，阻力就越大。但是，在下落的前30cm，空气阻力的影响非常小，在下落I米以后的高度，速度增大，阻力的影响可以被光电计时器测量出来，但是，这种影响是力学教学中希望测得的，因为该数据对后续学习有比较重要的作用。
[0008]当时间可以被记录的非常精确时，一点点的时间因素都要被充分考虑。
[0009]综上，这种光电计时器存在着计时时长和理论时长不一致的问题，主要原因是电磁铁和重物之间存在引力、重物受到空气阻力。空气阻力造成的影响是教学中希望被测量到的，电磁铁和重物之间的引力则是干扰因素，该干扰因素是希望能够被消除的因素。
【发明内容】
[0010]为了弥补现有装置的不足，本发明提出一种光电计时器的时间补偿装置和方法，本发明可以补偿光电计时器上因为剩磁造成的计时误差，以使实验更接近于理想状态。
[0011]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于固定时差的光电计时器时间补偿方法，其特征是:
第一步:获得试验地点的重力加速度数值，
第二步:理论计算重物从电磁铁释放，下落高度为hi应该用时为t1; hi的数值优选5cm---10cm，
第三步:实际测量重物从电磁铁释放，下落高度为h实际用时为t2，
第四步:计算出t2-ti的结果，将此结果作为因剩磁造成的影响时间，
第五步:基于第四步的计算结果，调整外围电路，达到这样的目的:测量重物从电磁铁释放，下落高度为h2 的实际用时为t3,外围电路显示的时间为t4,且t4 = t3 - t2 + tp
[0012]为了补偿光电计时器上剩磁造成的计时误差，以致实验更接近于理想状态，本发明解决其技术问题所采用的技术方案还可以是:
一种光电计时器的时间补偿装置，包括电磁铁，电磁铁由铁芯和铁芯外部绕着的线圈构成，其特征是:弹簧的上端连接铁芯，弹簧的下端连接一个软磁性材料制成的板，板的下部有一个由电磁铁吸引的软磁性材料制成的重物。
[0013]为了更好的起到时间补偿的效果，铁芯下部的中心位置开口，并且开口向铁芯上端延伸，弹黃连接在铁芯开口的内部，并且在内部的上端。
[0014]为了进一步优化时间补偿的效果，铁芯下部的中心位置开口，并且开口向铁芯上端延伸，铁芯上端还包括一个有内丝的开口，铁芯还包括一个与内丝配套的螺杆旋转在内丝内，弹簧连接在螺杆下端。
[0015]为了更好的起到补偿的效果，弹簧长度(指弹簧竖直悬挂，除了自重，不施加其他重物情况下的长度)优选为2cm，劲度系数(也称为倔强系数)约为100N/m，重物质量约
0.03Kg。作为一个可调整的实验教具，该教具对弹簧的劲度系数、长度都可以为一个约数，包括重物质量也可以为约数，作为相关【技术领域】人员，可以知道“约”的含义。
[0016]一种光电计时器的时间补偿方法，其特征是:
步骤一，获得试验地点的重力加速度数值，
步骤二:理论计算重物从电磁铁释放，下落高度为h3应该用时为t5, h3的数值为IOcm以上。h3可以在IOcm---30cm之间。
[0017]步骤三:实际测量重物从电磁铁释放，下落高度为h3实际用时为t6，
步骤四:旋转通过铁芯上方内丝的螺杆，调整螺杆的长度(等同于调整板距离铁芯下部的距离)，再次测量重物从电磁铁释放至下落到高度为h3的实际时间，
步骤五:重复步骤三或/和步骤四，直至t6等于t5 (所述的等于，意思为:在偶然误差被接受的范围内，t6等于t5)。h3的优选高度为10cm。
[0018]本发明所述的装置，利用的原理是:电磁铁吸引弹簧下方的板，使得弹簧长度变短，电磁铁断电后，磁性消失了很多，弹簧长度变长，推动板向下运动，板推动重物下落。倘若仅考虑这一因素，该因素会导致重物下落时间比理论时间稍短，那是因为重物在下落过程中，不但受到重力，还受到板施加的推力，并且在刚开始下落时，速度比较低，空气阻力的影响是可以被忽略的。倘若弹簧长度、劲度系数合适，就可以解决重物因为剩磁造成的下落时间和理论时间不一致的问题。
[0019]本发明考虑到剩磁造成的计时影响，并且克服了该影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明结构示意图。
[0021]图2为本发明结构示意图。
[0022]图3为本发明结构示意图。
[0023]图4为本发明局部结构示意图。
[0024]图5为图4的截面图。
[0025]图6为本发明局部结构示意图。
[0026]图7为本发明局部结构示意图。
[0027]图中:1-铁芯，2-线圈，3-弹簧，4-板，5-重物，6-螺杆，7_辅助簧，8_环形槽。【具体实施方式】
[0028]下面结合附图，对本发明的设计和使用进一步说明。
[0029]参见附图1，是本发明的一种设计，电磁铁由铁芯(I)和铁芯(I)外部绕着的线圈
(2)构成，弹簧(3)的上端连接铁芯(1)，弹簧(3)的下端连接一个软磁性材料制成的板(4)，板(4)的下部有一个由电磁铁吸引的软磁性材料制成的重物(5)。重物(5)可以是铁球。弹簧(3)长度为2cm，考虑到板(4)有一定的质量，选用劲度系数约为ΙΟΟΝ/m的弹簧(3)，重物(5)质量约0.03Kg，板的质量约0.02Kg。
[0030]电磁铁通电后，板(4)向上运动，且板(4)吸引重物(5)也向上运动，重物(5)向上运动，也可以说是电磁铁吸引所致，断电后，尽管有剩磁存在，但是，弹簧(3)释放弹性势能，推动板(4)向下运动，于是:剩磁导致重物(5)变慢，弹簧(3)导致重物(5)变快，当调节合适，就可以使剩磁造成的影响抵消。
[0031]板(4)也必须采用软磁性材料制成，比如用铁制成，板(4)在本发明中所起的作用是:让铁芯(I)吸引板(4)，板(4)也吸引重物(5 )，当板(4)的面积和铁芯(I)下端形状、尺寸一致或者基本一致时，吸引的作用会更好。
[0032]参看附图2，是本发明的一种设计，制造弹簧(3)的材料，往往含有铁，所以，为了更好的压缩弹簧，并且，为了弹簧能有更大的压缩量，铁芯(I)下端的中心位置有一个开口，其特征是:开口向铁芯(I)上端延伸，弹簧(3)的上端连接在铁芯(I)开口的内部，并且在内部的上端。
[0033]这样的设计，可以让弹簧(3)压缩量更大，推开板(4)和重物(5)可以有更大的力量。但是，这样的设计存在一个缺点:重物(5)因为弹簧(3)而加快的时间是不易调节的，倘若加快的时间不等于因为剩磁而变慢的时间，就要重新更换弹簧(3)，或者做其他调整，这样会比较麻烦。
[0034]参看附图3，是本发明的一种设计，为使附图3突出设计要点，铁芯(I)外部的线圈(2 )在本图中没有画出。铁芯(I)上端有一个具有内丝的开口，所谓内丝，就是内部有螺纹的意思，其特征是:铁芯(I)还包括一个与内丝配套的螺杆(6)旋转在内丝内，弹簧(3)连接在螺杆(6)下端。这样的设计，便于调节板(4)和铁芯(I)下端的距离，便于调节弹簧(3)存储的弹性势能，归根结底也就便于调节重物(5)为此加快的时间。该实施例中，弹簧(3)长度可以选择为2cm，劲度系数约为ΙΟΟΝ/m，重物(5)质量约0.03Kg。
[0035]用螺杆(6)的原因是:螺杆(6)旋转很多圈，螺杆(6)在竖直方向的距离仅改变一点点，这样有利于微调。
[0036]因为剩磁只对下落的初始阶段有影响，尤其是前5cm的运动过程，所以，选择5cm以后的高度来测量，就可以测量出剩磁造成的影响，但是，考虑到实验对时间的测量非常精确，可以测量最初的IOcm,在最初的IOcm剩磁对下落造成的时间影响等于IOcm之后剩磁对下落造成的时间影响。所以，选择超过IOcm的高度来测量该时间影响是有原因的。但是，该高度不宜超过50cm,因为,超过50cm,虽然剩磁造成的影响仍然等于IOcm时造成的影响，但是，50cm时空气阻力造成的影响是可能被测量出来的。换句话说，超过50cm的高度，测到的理论时间和实际时间的差值，有可能是由剩磁和空气阻力共同造成的，考虑到教学需要，该高度可以选取IOcm—30cm,因为，前30cm的下落过程，空气阻力造成的影响是很难测量到的。
[0037]参看附图4，是本发明的局部结构示意图。由力学知识可知:当弹簧的材料、粗细、内外径都一样的情况下，弹簧越长，劲度系数越小，本发明中，弹簧(3)的长度比较长，有时候会导致弹力不足够大，为了增大弹力，还可以设置另外一个弹簧，该弹簧被命名为:辅助簧(7)，辅助簧(7)下端固定连接在板(4)的上表面，辅助簧(7)的上端不与铁芯(I)连接，在本发明中，辅助簧(7)上端不与铁芯(I)连接的这种方式被命名为:自由状态。当电磁铁通电时，板(4)向上运动，然后，辅助簧(7)的上端和铁芯(I)的下端接触，辅助簧(7)变短，于是辅助簧(7)可以在断电后，给板(4)施加向下的弹力。通过本段的表述，可以知道辅助簧(7)的作用是增加弹力。辅助簧的长度优选1cm，劲度系数(也称为倔强系数)约为200N/m0
[0038]辅助簧(7)下端固定连接在板(4)的上表面，辅助簧(7)的上端处于自由状态。辅助簧(7)的半径大于弹簧(3)的半径，这样的设计，更有利于弹开板(4)。
[0039]附图5是附图4的截面图，是为了更好的说明辅助簧(7)、弹簧(3)、板(4)的结构，因为本发明需要让辅助簧(7)有更大的面积，而且，铁芯(I)的开口在中间轴线位置，所以，弹簧(3)在辅助簧(7)的内部。
[0040]因为辅助簧(7)有更大的面积，所以辅助簧(7)还具有这样的技术效果:辅助簧
(7)在让电磁铁断电后，可以对板(4)的运动起到更好的约束作用，使板(4)仅在竖直方向运动。倘若没有辅助簧(7)，电磁铁断电后，有时候板(4)的运动轨迹是混乱的，导致重物(5)不能从光电门中穿过，从而造成不能计时的缺陷。试验表明，辅助簧(7)的确可以起到这样的效果。
[0041]参看附图6，是本发明铁芯(I)的结构示意图，是铁芯的进一步设计，铁芯(I)下方有一个环形槽(8)，辅助簧(7)的上部置入环形槽(8)，且环形槽(8)的侧壁不和辅助簧(7)挤压。
[0042]为了进一步优化，铁芯(I)下端有一个环形槽(8 )，该环形槽(8 )可以让辅助簧(7 )的上部置入其中，且环形槽(8)的侧壁不和辅助簧(7)挤压。该环形槽(8)起到的效果是:进一步约束板(4)的运动。具有环形槽(8 )的铁芯(I)，在电磁铁断电时，会让辅助簧(7 )更好的弹开板(4)，这里说的更好，是指:板(4)不乱摆；板(4)的运动，非常精确的在竖直线上。
[0043]参看附图7，是本发明铁芯(I)的结构示意图，当铁芯(I)下端的中心位置有一个开口时，环形槽(8)所在的圆内，有铁芯(I)开口所在的圆。
[0044]辅助簧(7)和环形槽(8)组合使用还具有这样的效果:在移动光电计时装置时，辅助簧(7)和环形槽(8)可以有效控制板(4)不乱甩，板(4)乱甩，可能会导致弹簧(3)损坏，所以，辅助簧(7)和环形槽(8)的组合利于运输和搬动光电计时装置时保护弹簧(3)。
[0045]当采用附图3所示设计时，可以按照如下方法补偿剩磁造成的重物(5)下落延后的问题，其特征是:
步骤一，获得试验地点的重力加速度数值，
步骤二:理论计算重物(5)从电磁铁释放，下落高度为h3应该用时为t5，且h3在
IOcm---30cm 之间，
步骤三:实际测量重物(5)从电磁铁释放，下落高度为h3实际用时为t6，
步骤四:旋转通过铁芯(I)上端内丝的螺杆(6)，调整螺杆(6)的长度，再次测量重物
(5)从电磁铁释放至下落到高度为h3的实际时间，
步骤五:重复步骤三或/和步骤四，直至t6等于t5。
[0046]也可以利用外围电路，直接补偿因剩磁造成的时间差；也可以利用本发明所述装置，再结合外围电路，直接补偿因剩磁造成的时间差，其特征是:
第一步:获得试验地点的重力加速度数值，
第二步:理论计算重物从电磁铁释放，下落高度为Ii1应该用时为t1; hi的数值为5 cm---10cm,
第三步:实际测量重物从电磁铁释放，下落高度为h实际用时为t2，
第四步:计算出t2-ti的结果，将此结果作为因剩磁造成的影响时间，
第五步:基于第四步的计算结果，调整外围电路，达到这样的目的:测量重物从电磁铁释放，下落高度为h2的实际用时为t3,外围电路显示的时间为t4,且t4 = t3 - t2 + tp
[0047]该方法能实现时间补偿的原因在于:剩磁在空间上造成的、可测量出的影响范围约为5cm，即使光电计时已经非常灵敏，超过IOcm的距离，重物(5)和铁芯(I)之间的电磁力就是可以忽略的了。换句话说，只要下落高度超过10cm，就可以认为因为剩磁造成的时间差总是既然这个时间差是固定的，那就可以基于该固定的时差，让实际测量的时间总减去该时差，作为显示的结果。教学中要演示的下落高度，往往是超过IOcm的，所以，在本方法中，hi的数值为5cm---10cm。
[0048]地球表面的重力加速度和纬度有关系，但是，即使纬度变化比较大，重力加速度变化也不大，所以，所述的“试验地点”，应该理解为相同或者相近纬度的地区，究竟纬度相差多少才能叫做相近，这取决于试验对精确程度的要求。
[0049]本发明为解决自由落体运动中，剩磁造成时间滞后提供了一种新的技术方案。
【权利要求】
1.基于如下光电计时器的时间补偿装置: 该光电计时器的时间补偿装置包括电磁铁，电磁铁由铁芯(I)和铁芯(I)外部绕着的线圈(2)构成， 且:弹簧(3)的上端连接铁芯(1)，弹簧(3)的下端连接一个软磁性材料制成的板(4)，板(4)的下部有一个由电磁铁吸引的软磁性材料制成的重物(5)； 且:铁芯(I)下端的中心位置有一个开口，开口向铁芯(I)上端延伸，弹簧(3)的上端连接在铁芯(I)开口的内部，并且在内部的上端； 且:还包括铁芯(I)上端一个具有内丝的开口，铁芯(I)还包括一个与内丝配套的螺杆(6 )旋转在内丝内，弹簧(3 )连接在螺杆(6 )下端， 所采用的一种光电计时器的时间补偿方法，其特征是: 步骤一，获得试验地点的重力加速度数值， 步骤二:理论计算重物(5)从电磁铁释放，下落高度为h3应该用时为t5，且h3等于13cm， 步骤三:实际测量重物(5)从电磁铁释放，下落高度为h3实际用时为t6， 步骤四:旋转通过铁芯(I)上端内丝的螺杆(6)，调整螺杆(6)的长度，再次测量重物(5)从电磁铁释放至下落到高度为h3的实际时间， 步骤五:重复步骤三或/和步骤四，直至t6等于t5。
【文档编号】G09B23/10GK103985295SQ201410254758
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年12月3日 优先权日:2012年12月3日
【发明者】陈廷 申请人:曾飞