可控制变量的精密牛顿摆实验装置

1.本实用新型涉及一种实验装置，具体是一种可控制变量的精密牛顿摆实验装置。


背景技术：

2.在大学物理课程中，牛顿摆器材作为理想模型证明了能量守恒定律。但是市面上现有的牛顿摆器材实际工作时间往往只有不到半分钟。
3.实际的牛顿摆工作过程中，下列几点现象不可避免：1、摆动过程中，牛顿摆的阻尼系数带来的能量损耗；2、摆球碰撞时，非完全弹性牛顿摆摆球的粘弹性耗散系数带来的能量损耗；3、摆球碰撞时，非完全刚性牛顿摆的摆绳拉伸带来的能量损耗。上述几点现象可以测量和计算。理论上以及实验上，钢球材质摆球、鱼线材质摆绳，组成的牛顿摆，可以工作一分钟以上。
4.市面上现有的牛顿摆器材存在以下主要缺点： 1、无法在一定精度范围内保证静止摆球间恰好接触且无挤压；2、无法在一定精度范围内调节并保证摆球对心碰撞；3、无法更换摆球以及摆线的规格、材质等。上述几点缺点造成了牛顿摆的实际摆动时间与理论计算的摆动时间有很大差距。
5.因此市面上现有的牛顿摆器材运动机械能损耗大且无法控制变量，不适用于实验用途和大学物理相关课程展示用途。


技术实现要素：

6.为了克服市面上现有的牛顿摆器材的上述缺点，本发明提出了一种可控制变量的精密牛顿摆实验装置。
7.本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：可控制变量的精密牛顿摆实验装置包括牛顿摆框架装置（1），滑块装置（2），牛顿摆摆线（5）和牛顿摆摆球（6）；所述牛顿摆框架装置（1）包括牛顿摆框架支撑梁（11）、滑道（12），所述牛顿摆框架支撑梁（11）支撑平行对称的两侧滑道（12），所述每侧滑道（12）上滑动连接滑块装置（2）；所述两侧滑道（12）的外侧均刻有相对应的刻度，对于刻度，要求刻度线完全一致，要求两侧刻度的起点在两侧滑道的同一位置；要求俯视装置时，刻度数字从小到大方向一致；
8.进一步地，所述滑道（12）上有滑道凹槽（1201）和滑道螺丝紧固槽（1202）分别与滑块滑道填充（24）或螺纹（2804）相匹配，滑道螺丝紧固槽边缘（1202）与滑块滑道填充（24）的深度之和应比螺纹（2804）的长度略大。
9.进一步地，所述滑块装置（2）包括滑块外侧挡板（2101）、滑块内侧挡板（2102）、调节对心挡板（2103）；所述滑块外侧挡板（2101）和所述滑块内侧挡板（2102）之间滑块挡板连结梁（2201）和滑块挡板连结杆（2203），所述滑块挡板连结梁（2201）上有连结梁螺丝孔（2202）与滑块滑道填充（24）的螺丝孔相对应并通过滑块螺丝（28）贯穿连接；所述滑块外侧挡板（2101）和所述滑块内侧挡板（2102）相应位置有刻度尺方向基准孔（2301），调节对心挡板（2103）上有挡板摆线穿孔（2302）；滑块滑道填充（24）连接在滑块挡板连结杆（2203）上；
所述滑块外侧挡板（2101）上有刻度线（25）；所述滑块内侧挡板（2102）上设有第一对心调节旋钮（2601）、第二对心调节旋钮a（2602）、第二对心调节旋钮b（2603），旋转第一对心调节旋钮（2601）带动调节对心挡板（2103）的牛顿摆摆线端点上下移动，旋转第二对心调节旋钮a（2602）和第二对心调节旋钮b（2603）带动调节对心挡板2103的牛顿摆摆线端点前进或后退；
10.滑块螺丝（28）由螺丝杆（2801）、螺丝杆摆线穿孔（2802）、摆线缠绕道（2803）、螺纹（2804）组成。
11.进一步地，还包括投影装置（3），所述投影装置（3）设在牛顿摆框架装置（1）下方，包括半圆弧形投影灯滑道（33），投影灯横梁（32）位于投影灯滑道（33）上并可沿着半圆弧形的滑道（33）滑动，投影灯（31）固定在投影灯横梁（32）上，当投影灯横梁（32）滑动时，投影灯的点光源始终面向半圆弧形轨道轴心。
12.进一步地，还包括基准装置（4），所述基准装置（4）包括基准线（41）、基准对齐装置（42），基准线（41）与基准对齐装置（42）连接确保基准线（41）两端水平高度对齐且基准线（41）与滑道（12）平行。
13.进一步地，调节对心挡板（2103）上有摆线紧固片（2702）和摆线紧固旋钮（2701），摆线紧固旋钮（2701）旋转，带动摆线紧固片（2702）转动并将穿过挡板摆线穿孔（2302）的摆线压住。
14.进一步地，牛顿摆框架支撑梁（11）下连接框架支架（13）、底座（14）。
15.进一步地，投影灯滑道（33）连接投影装置支架（34），投影装置支架（34）底部是投影装置底座（35）。
16.进一步地，基准对齐装置（42）下连接基准装置支架（43）、基准装置底座（44）。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：克服了市面上现有的牛顿摆器材存在的以下主要缺点： 1、无法在一定精度范围内保证静止摆球间恰好接触且无挤压；2、无法在一定精度范围内调节并保证摆球对心碰撞；3、无法更换摆球以及摆线的规格、材质等。本发明更适用于实验用途和大学物理相关课程展示用途。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是牛顿摆框架装置；
20.图2是牛顿摆框架装置的滑道的纵向截面；
21.图3是可控制变量的精密牛顿摆的固定摆绳的多自由度可调节的滑块装置（靠安装后的整体结构外侧一面）；
22.图4是可控制变量的精密牛顿摆的固定摆绳的多自由度可调节的滑块装置（靠安装后的整体结构内侧一面）；
23.图5是可控制变量的精密牛顿摆的固定摆绳的多自由度可调节的滑块装置（靠安装后的整体结构上侧一面）；
24.图6是可控制变量的精密牛顿摆的固定摆绳的多自由度可调节的滑块装置所配合使用的固定螺丝；
25.图7是可控制变量的精密牛顿摆测量摆球对心的参考基准装置——投影装置；
26.图8是可控制变量的精密牛顿摆测量摆球对心的参考基准装置——基准装置；
27.图9是组装好后的可控制变量的精密牛顿摆；
28.图中：1.牛顿摆框架装置；11.牛顿摆框架支撑梁；12.滑道；1201滑道凹槽；1202.滑道螺丝紧固槽；13.框架支架；14.底座；2.滑块装置；2101.滑块外侧挡板；2102.滑块内侧挡板；2103.调节对心挡板；2201.滑块挡板连结梁；2202.连结梁螺丝孔；2203.滑块挡板连结杆；2301.刻度尺方向基准孔；2302.挡板摆线穿孔；24.滑块滑道填充；25.刻度线；2601.第一对心调节旋钮；2602.第二对心调节旋钮a；2603.第二对心调节旋钮b；2701.摆线紧固旋钮；2702.摆线紧固片；28.滑块螺丝；2801.螺丝杆；2802.螺丝杆摆线穿孔；2803.摆线缠绕道；2804.螺纹；3.投影装置；31.投影灯；32.投影灯横梁；33.投影灯滑道； 34.投影装置支架；35.投影装置底座；4.基准装置；41.基准线；42.基准对齐装置；43.基准装置支架；44.基准装置底座；5.牛顿摆摆线；6.牛顿摆摆球。
具体实施方式
29.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.如图1、图2，牛顿摆框架装置1包括牛顿摆框架支撑梁11、滑道12、滑道凹槽1201、滑道螺丝紧固槽1202、框架支架13、底座14。滑道12两外侧均刻有刻度。对于刻度，要求刻度线完全一致，要求两侧刻度的起点在两侧滑道的同一位置；要求俯视装置时，刻度数字从小到大方向一致。可以把滑道12与滑块2看做一组游标卡尺，滑道12是游标卡尺的主尺。如图2，从纵截面视角，滑道12上有滑道凹槽1201、滑道螺丝紧固槽1202。滑道边缘1201与滑块滑道填充24相匹配，滑道螺丝紧固槽边缘1202与螺纹2804相匹配。框架支架13、底座14仅是一种演示，可以有其他种设计，对装置运行无影响。
31.如图3、图4、图5、图6，滑块装置2包括滑块外侧挡板2101、滑块内侧挡板2102、调节对心挡板2103、滑块挡板连结梁2201、连结梁螺丝孔2202、滑块挡板连结杆2203、刻度尺方向基准孔2301、挡板摆线穿孔2302、滑块滑道填充24、游标尺刻度线25、第一对心调节旋钮2601—上下自由度调整、第二对心调节旋钮a2602—内外自由度调整、第二对心调节旋钮b 2603—内外自由度、摆线紧固旋钮2701、摆线紧固片2702、滑块螺丝28、螺丝杆2801、螺丝杆摆线穿孔2802、摆线缠绕道2803、螺纹2804。游标尺刻度线25在滑块外侧挡板2101上。游标尺刻度线25与滑道12的外侧刻度线分别可以看做游标卡尺的游标尺刻度线和主尺刻度线，因此，上述结构的精度就是游标卡尺的精度。滑块外侧挡板2101、滑块内侧挡板2102、滑块挡板连结梁2201、滑块挡板连结杆2203连结，滑块挡板连结杆2203和滑块滑道填充24连结，他们的位置关系如图3和图4所示。滑块挡板连结梁2201中有连结梁螺丝孔2202，比滑块螺丝28的规格略大；以俯视视角，在滑块滑道填充24同一位置也有螺丝孔，该螺丝孔与螺纹2804规格相匹配，连结梁螺丝孔2202和滑块滑道填充24同一位置也有螺丝孔通过滑块螺丝
28贯穿连接；滑道螺丝紧固槽1202与螺纹2804规格相匹配。以侧视视角，滑块外侧挡板2101、滑块内侧挡板2102、调节对心挡板2103同样位置有相同小孔，这些小孔分别是刻度尺方向基准孔2301、挡板摆线穿孔2302等——其规格应允许几种常见规格的牛顿摆摆线穿过。下述设计是为了确保特定规格的摆线穿过挡板摆线穿孔2302后无晃动。调节对心挡板2103上有摆线紧固旋钮2701，二者位置关系如图4。摆线紧固片2702位于调节对心挡板2103、摆线紧固旋钮2701之间，与摆线紧固旋钮2701永久性连结。当摆线紧固旋钮2701旋转，带动摆线紧固片2702转动并将穿过挡板摆线穿孔2302的摆线压住。以滑块2的侧视视角，本装置的挡板摆线穿孔2302的左右自由度不可调节——以确保刻度尺方向基准孔2301、挡板摆线穿孔2302的左右方向（滑块2侧视视角）坐标一致。当滑道12两侧刻度线分别与两侧游标尺刻度线25的位置关系被确定时，静止摆球间在游标卡尺的精度确保恰好接触且无挤压。由于牛顿摆摆球直径也被标准游标卡尺测量，装置的精度可以进一步得到保证。
32.滑块内侧挡板2102设有第一对心调节旋钮2601（上下自由度调节）、第二对心调节旋钮a 2602（内外自由度调节）、第二对心调节旋钮b 2603（内外自由度）。调节对心挡板2103在内侧挡板与旋钮之间，且按照图4预先留有与旋钮相匹配的通道。第一对心调节旋钮2601有齿轮形状的调节装置。相应的，调节对心挡板2103也有锯齿形状，但只位于一侧。第一对心调节旋钮2601旋转，可带动调节对心挡板2103的牛顿摆摆线端点上下移动。第二对心调节旋钮a 2602、第二对心调节旋钮b 2603旋转时，可以看做螺丝旋进和旋出，带动调节对心挡板2103的牛顿摆摆线端点前进或后退。当第一对心调节旋钮2601、第二对心调节旋钮a 2602、第二对心调节旋钮b 2603、调节对心挡板2103共同调节时，牛顿摆摆线端点只有左右自由度（滑块2侧视图视角）不可调节。进而，摆球摆动圆弧轨迹的半径一致。理论上，在制作装置时，摆球摆动轨迹的精度已可以保证。此处设计作为冗余设计——可以减少加工精度、长期使用结构老化松动等问题带来的影响——确保了装置可用、耐用。
33.螺丝杆摆线穿孔2802的规格允许穿过几种常见规格的牛顿摆摆线。摆线缠绕道2803是为摆线预留的缠绕道。
34.作为对结构的进一步说明，本段介绍在具体使用时装置间的相互作用。首先，滑块螺丝28穿过滑块挡板连结梁2201的螺丝孔——滑块螺丝28无需旋转直接穿过孔径略大的螺丝孔。然后，滑块螺丝28旋转，依次连接滑块滑道填充24、滑道螺丝紧固槽边缘1202——二者紧密连接且无晃动。
35.之后，牛顿摆摆线5穿过螺丝杆摆线穿孔2802并打好结。再次旋转滑块螺丝28时，可以调整牛顿摆摆球6两侧摆线的长度——滑道螺丝紧固槽边缘1202的深度允许滑块螺丝28继续旋转。
36.如图7，投影装置3包括投影灯31、投影灯横梁32、投影灯滑道33、投影装置支架34、投影装置底座35。投影灯31作为一个点光源，固定在投影灯横梁32上。投影灯横梁32可以沿着半圆弧形的投影灯滑道33滑动。当投影灯横梁32滑动时，点光源始终面向半圆弧形轨道轴心——组装好后就是面向牛顿摆摆球6球心连线。同一条投影灯滑道33可以设置多个投影灯横梁32和投影灯31。当调整好角度后，投影灯横梁32不会受重力影响滑动。
37.如图8，基准装置4包括基准线41、基准对齐装置42、基准装置支架43、基准装置底座44。基准线41与基准对齐装置42连接。基准对齐装置42可确保基准线41两端水平高度对齐，可以确保基准线41与滑道12平行。（基准对齐装置42可以是地质测量时所用的水平仪，
也可以是其他类似仪器。）
38.牛顿摆框架装置1、滑块装置2、投影装置3、基准装置4、牛顿摆摆线5、牛顿摆摆球6的位置关系如图9。图9对装置的一些细节做了忽略。
39.具体组装n个球组成的牛顿摆时，具体操作如下。
40.一、 首先，在游标卡尺精度范围内，保证静止摆球间恰好接触且无挤压。
41.1.牛顿摆摆球6直径d由游标卡尺测量。调整游标尺刻度线25——即刻度尺方向基准孔2301——与滑道12外侧刻度线的某一刻度对齐。确保位于滑道12同一侧的n个游标尺刻度线25中任意相邻两个的间距正好为d。确保位于滑道12两侧的同一对游标尺刻度线25指向滑道12外侧刻度线同一刻度。
42.二、其次，在一定精度范围内，调节并保证摆球对心碰撞。
43.2.滑块螺丝28穿过滑块挡板连结梁2201的螺丝孔——滑块螺丝28无需旋转直接穿过孔径略大的螺丝孔。
44.3.第一对心调节旋钮2601、第二对心调节旋钮a2602、第二对心调节旋钮b2603旋转——即调节调节对心挡板2103。进而，可以达到下述目的，牛顿摆摆线端点只有左右自由度（滑块2侧视图视角）不可调节。此处设计作为冗余设计——可以减少加工精度、长期使用结构老化松动等问题带来的影响——确保了装置可用、耐用。
45.4.每个牛顿摆摆线5与每条牛顿摆摆球6分别连接。
46.5.滑道12两侧同一对滑块装置2的滑块内侧挡板2102、调节对心挡板2103预留的摆线孔，分别令一条摆线的两端分别穿过——摆线两端多预留一些长度以便调节。上述操作重复n次。
47.6.摆线穿过螺丝杆摆线穿孔2802。将摆线打好绳结——防止摆线从螺丝杆摆线穿孔2802脱落。滑块螺丝28旋转，依次连接滑块滑道填充24、滑道螺丝紧固槽边缘1202——二者紧密连接且无晃动——同时，摆线沿着摆线缠绕道2803缠绕。上述操作重复n次。
48.7.基准线41贴齐n个牛顿摆摆球6。投影装置3的投影灯31工作。基准线41、牛顿摆摆球6都将投影到与装置距离为l的墙上。旋转滑块螺丝28——以调节牛顿摆摆线5长度；作为补充，微调对心调节旋钮—上下自由度2601、对心调节旋钮—内外自由度—甲2602、对心调节旋钮—内外自由度—乙2603——以调节牛顿摆摆线5的两侧端点位置。最终，基准线41、牛顿摆摆球6边缘的投影恰好接触且没有重合。摆线紧固旋钮2701旋转，带动摆线紧固片2702转动并将穿过挡板摆线穿孔2302的摆线压住。由于摆球对心碰撞过程，只有一个空间自由度不确定，另外两个空间自由度需要被确定。上述操作需要重复两次。
49.8.设目视误差为e；设投影灯31的轨迹半径为r；设装置与被投影的墙距离为l；设对心碰撞的精度为（）。类似光杠杆原理，
[0050][0051]
两次操作依次先后校准、。设对心碰撞的总精度为，
[0052][0053]
通过调整l，即装置与被投影的墙距离，可以控制n个牛顿摆摆球6的对心碰撞的精
度。
[0054]
三、可以更换摆球以及摆线的规格、材质等。
[0055]
9.滑块螺丝28反向旋转至摆线不再沿着摆线缠绕道2803缠绕。
[0056]
10.将第6步的摆线的绳结打开。摆线紧固旋钮2701反向旋转。将摆线从螺丝杆摆线穿孔2802、滑块装置2的滑块内侧挡板2102与调节对心挡板2103预留的摆线孔中抽出。
[0057]
11．将新的牛顿摆摆线5与新的牛顿摆摆球6分别连接。重复5、6、7步操作。
[0058]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。