專利名稱：立式磁控光顯研究牛頓第二定律儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬高級(jí)中學(xué)與中等專業(yè)學(xué)校物理學(xué)科力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。
現(xiàn)有技術(shù)中的“阿特武德機(jī)”(見《中學(xué)物理教師手冊(cè)》第727頁)。該機(jī)的一滑輪上跨一細(xì)繩，當(dāng)繩的兩端懸掛的砝碼質(zhì)量(M)和(M＋△m)相差(△m)時(shí)，重力之差(△mg)使系統(tǒng)(M和M＋△m)從靜止開始在豎直空間做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。這種對(duì)系統(tǒng)所受外力(△mg)和總質(zhì)量(M＋M＋△m)的取值以及砝碼組在豎直空間運(yùn)動(dòng)所受空氣阻力極小，使該機(jī)研究牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)原理趁于完善。但是由于它只取一組砝碼進(jìn)行研究，故除要在標(biāo)尺上讀出位移S外，還要用電動(dòng)秒表測(cè)出砝碼運(yùn)動(dòng)時(shí)間t，然后依據(jù)公式S＝1／2at2，去計(jì)算a，這種測(cè)算要進(jìn)行多次，并運(yùn)用測(cè)算的多組值作a－F，a－1／m的函數(shù)圖象，最后綜合分析得出牛頓第二定律。顯然這種研究過程是繁鎖，頗花時(shí)間的。《物理教學(xué)》90年第2期上介紹有《磁控光顯研究牛頓第二定律裝置》一文，該裝置是取兩端在水平軌道上運(yùn)動(dòng)的小車為研究對(duì)象，令兩小車做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相等，由公式S＝1／2at2，可得出a∝s，從而比較兩小車的位移，就可以比較它們的加速度，這種用位移比代替加速度比研究方法，其實(shí)驗(yàn)原理是簡(jiǎn)明的，且由于完全拋開了時(shí)間的測(cè)定和繁多的數(shù)學(xué)計(jì)算，很節(jié)省時(shí)間，加之該裝置還采用了“磁控”、“光顯”技術(shù)，能使實(shí)驗(yàn)操作方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。但是，由于它沿用的是現(xiàn)行高級(jí)中學(xué)課本中的“臥式”裝置形式，把拉小車的外力認(rèn)為是掛盤與砝碼的重力mg，而實(shí)際應(yīng)該是繩子的拉力F＝M／M＋m·mg，M為小車的質(zhì)量，顯然F＜mg，這樣，簡(jiǎn)明的實(shí)驗(yàn)原理卻大有不完善之處，必要造成系統(tǒng)誤差，當(dāng)m≤M時(shí)，雖可減小這種誤差，但不能消除。另外，小車在軌道上運(yùn)動(dòng)所受摩擦阻力不可忽略，要減小這一摩擦力的影響，得使用“斜面平衡法”，這又是一件頗麻煩費(fèi)時(shí)的工作。
本實(shí)用新型的目的是提供一種改進(jìn)的其實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)明、又趨于完善，同時(shí)具有操作方便，節(jié)省課時(shí)，效果甚佳的研究牛頓第二定律的新型教學(xué)儀器。
本實(shí)用新型的任務(wù)是以如下方式完成的在兩豎直的長(zhǎng)支桿上端的定滑輪上各跨一根細(xì)繩，兩組砝碼按質(zhì)量相等，所受恒外力不同或所受恒外力相同，質(zhì)量不等的兩種情況定值分配，而后把它們懸掛于兩根細(xì)繩的各端，讓這兩組砝碼在豎直空間道上做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。為確保兩組砝碼能同時(shí)起動(dòng)，采用了電磁鐵的控制手段，為方便判明兩組砝碼運(yùn)動(dòng)時(shí)間是否相等，安裝了自動(dòng)顯示運(yùn)動(dòng)終止時(shí)刻的“光顯”電路。另外，一根豎直安裝的標(biāo)尺柱，既方便讀位移值，又能將“光顯”電路中的活動(dòng)導(dǎo)線藏放在其空腔中。
附


圖1、附圖2和附圖3是本實(shí)用新型的整體外形，擋板局部及電路原理圖?，F(xiàn)對(duì)照附圖詳述如下底座［1］上立有兩長(zhǎng)支桿［2］，每長(zhǎng)支桿上端裝著一個(gè)定滑輪［3］，長(zhǎng)支桿上的套筒［4］可上下移動(dòng)，上面裝有一顆起固定位置作用的旋紐［5］，套筒一側(cè)牢固地連接著擋板［6］、擋板上定位裝有絕緣隔片［7］和雙銅片［8］。雙銅片與絕緣隔片的整體作用是作為“光顯電路中的碰撞開關(guān)K1、K2?？缭诙ɑ喩系膬筛?xì)繩［9］的長(zhǎng)度相等，兩端都勾掛著砝碼［10］(砝碼落放在砝碼勾盤上)。兩電磁鐵［11］安裝底座上的位置在兩外側(cè)砝碼勾盤的正下方。標(biāo)尺柱［12］的兩側(cè)各有一條豎直長(zhǎng)開口，開口通柱內(nèi)的空腔，接在雙銅片開關(guān)K1、K2上的四根活動(dòng)導(dǎo)線［13］就藏放在柱內(nèi)空腔中。標(biāo)尺柱上“0”刻度線，一般都取作為兩組砝碼運(yùn)動(dòng)的初始位置。起“光顯”作用的小燈泡L1、L2裝在標(biāo)尺柱上方位置。標(biāo)尺柱頂端接有一根橫桿［14］，它把標(biāo)尺柱、兩長(zhǎng)支桿的上部連了起來，起牢固裝置的作用，為使橫桿不會(huì)碰著走動(dòng)的繩線，在它上面鉆有兩個(gè)較大的通線孔。底座上還安裝有電源接線柱［15］和控制電磁鐵電路的單刀開關(guān)K3，為調(diào)底座水平，可裝上螺釘腳［16］。
使用本實(shí)用新型研究牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)步驟是1、在簡(jiǎn)單介紹了該儀器構(gòu)造、原理后，用兩只手的各一手指分別撞擊雙銅片，燈光電路接通，讓學(xué)生看到先撞擊一燈先亮，后撞擊一方的燈后亮，同時(shí)撞擊，兩燈同時(shí)亮。使學(xué)生明確，實(shí)驗(yàn)中兩燈泡同時(shí)發(fā)光，則表明兩組砝碼運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相等。
2、研究?jī)山M砝碼在質(zhì)量相等的條件下，它們的加速度與所受的不同恒外力的關(guān)系。
為讓表述中的字母意義明確，先設(shè)一根細(xì)繩兩端所懸掛的砝碼(包括砝碼勾盤)質(zhì)量分別為m1、m′1，且m′1＞m1，則這一系統(tǒng)受外力F1＝(m′－m)g，這一系統(tǒng)的總質(zhì)量M1＝m1＋m′1；設(shè)另一根細(xì)繩兩端所懸掛的砝碼質(zhì)量分別為m2、m′2，且m′2＞m2，則這另一系統(tǒng)受外力F2＝(m′2－m2)g，這另一系統(tǒng)的總質(zhì)量M2＝m2＋m′2。
按M1＝M2和m′1－m1≠m′2－m2的原則確定好各砝碼勾盤上要放置的砝碼量，算出F1［＝(m′1－m1)g］與F2［＝(m′2－m2)g］的比值。例如取M1＝M2＝50克，分配m1＝20克，m′1＝30克，m2＝10克，m′2＝40克，則有F1F2＝13。
合上開關(guān)K2，讓電磁鐵吸住其上的砝碼勾盤。按確定一組分配量掛好所有的砝碼。任意取定兩擋板的位置，斷開開關(guān)K3，兩組砝碼被同時(shí)釋放。細(xì)致觀察兩燈泡發(fā)光情況，一般是有先亮后亮之分，只有當(dāng)兩擋板的位置能滿足，讓兩組砝碼的位移比等于所受外力比時(shí)，才同時(shí)發(fā)光。改用不同外力比值的組，重復(fù)上面的操作，觀察到的現(xiàn)象相同。實(shí)驗(yàn)表明，兩組砝碼的位移與它們受的外力成正比。因此，我們可以得到結(jié)論對(duì)質(zhì)量相同的物體來說，物體的加速度跟作用在它上面的力成正比。
3、研究?jī)山M砝碼受相同的恒外力作用的條件下，它們的加速度與它們不等的質(zhì)量的關(guān)系。
按m′1－m1＝m′2－m2和m1＋m′1≠m2＋m′2的原則，確定好各砝碼勾盤上要放置的砝碼量，并算出M1與M2的比值。例如取F1＝F2＝20克力，分配m′1＝30克，m1＝10克，m′2＝50克，m2＝30克，則有M1M2＝12。
合上開關(guān)K3，讓電磁鐵吸住其上的兩砝碼勾盤。按確定好的一組分配量掛好所有的砝碼，任意取定兩擋板的位置，斷開開關(guān)K3，兩組砝碼被同時(shí)釋放。細(xì)致觀察兩燈泡的發(fā)光情況，一般亦有先亮后亮之分，只有當(dāng)兩擋板位置能滿足兩組砝碼的位移與它們的質(zhì)量成反比時(shí)，才同時(shí)發(fā)光。改用不同質(zhì)量比值的組，重復(fù)上面的操作，觀察到的現(xiàn)象相同。實(shí)驗(yàn)表明，兩組砝碼的位移與它們的質(zhì)量成反比。因此，我們可以得到結(jié)論在相同的力作用下，加速度跟質(zhì)量成反比。
本實(shí)用新型由于采用“立式”、“雙空間道”結(jié)構(gòu)，兩組砝碼在豎直的兩并排空間道上運(yùn)動(dòng)，這不僅使實(shí)驗(yàn)的直觀性強(qiáng)，可見度大，對(duì)比度大，更重要的還能使立式的阿特武德機(jī)原理這精華，即“懸掛在一繩雙端的砝碼所受作用力等于兩邊砝碼重量的差，系統(tǒng)總質(zhì)量即是兩邊砝碼質(zhì)量的和”得以發(fā)揚(yáng)光大，同時(shí)又使兩小車在雙軌道上運(yùn)動(dòng)的臥式裝置的優(yōu)越處，即“用位移比代替加速度比的”的原理能依據(jù)放光彩。故本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)原理能既簡(jiǎn)明，又趨于完善。另外，準(zhǔn)確可靠的“磁控”、“光顯”技術(shù)，既能使兩組砝碼嚴(yán)格同時(shí)起動(dòng)，又能當(dāng)即不誤地顯示它們運(yùn)動(dòng)終止的時(shí)刻?？傊?，一系列的改進(jìn)方法，使本實(shí)用新型在研究牛頓第二定律的演示中顯示出一系列的優(yōu)點(diǎn)，從而讓實(shí)驗(yàn)獲得成功，取得令人滿意的效果。
本實(shí)用新型研究牛頓第二定律的教學(xué)儀器，沒有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，工藝與材料的要求也均不難解決，一般教學(xué)儀器生產(chǎn)廠家完全有能力生產(chǎn)。
權(quán)利要求一種物理研究牛頓第二定律的教學(xué)儀器，它包括由底板[1]、支柱[2]、定滑輪[3]、擋板[6]、標(biāo)尺柱[12]和橫桿[14]構(gòu)成的儀器主體結(jié)構(gòu)，其特征在于該儀器的兩豎直的長(zhǎng)支桿[2]上端各裝有一個(gè)定滑輪[3]，且上有套筒[4]，套筒一側(cè)牢固地連接著擋板[6]，擋板上定位裝有絕緣隔片[7]和雙銅片[8]，兩電磁鐵[11]安裝在底座上的位置是在繩線[9]上掉掛著的兩外側(cè)砝碼[10]的正下方，標(biāo)尺柱[12]的兩側(cè)均有豎直長(zhǎng)開口，開口通柱內(nèi)的空腔，接在雙銅片開關(guān)K1、K2上的四根活動(dòng)導(dǎo)線[13]就藏放在柱內(nèi)空腔中，小燈泡L1、L2裝在標(biāo)尺柱[12]的上方。
專利摘要本實(shí)用新型使研究牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)明且趨完善。兩長(zhǎng)支桿(2)上端的定滑輪(3)上各跨一根細(xì)繩(9)，當(dāng)繩兩端掛的砝碼質(zhì)量不等時(shí)，其重力之差使它們均從靜止開始作加速運(yùn)動(dòng)，電磁鐵(11)控制它們的起動(dòng)，可調(diào)動(dòng)的擋板(6)控制它們的終止位置，內(nèi)藏活動(dòng)導(dǎo)線的標(biāo)尺柱(12)供讀位移，燈光L
文檔編號(hào)G09B23/00GK2073139SQ90215969
公開日1991年3月13日 申請(qǐng)日期1990年10月3日 優(yōu)先權(quán)日1990年10月3日
發(fā)明者肖毅 申請(qǐng)人:肖毅