單擺研究的論文

　　[摘要]單擺演示實(shí)驗儀是中學(xué)物理教學(xué)中的常用實(shí)驗儀。由于摩擦等外界阻力的作用，普通單擺的小球擺動(dòng)一段時(shí)間后會(huì )停下來(lái)。永不停息單擺是用間歇電磁力來(lái)周期地加速擺球的特殊單擺，是綜合力學(xué)原理和電磁學(xué)原理進(jìn)行創(chuàng )新研制而成的。

　　[關(guān)鍵詞]單擺間歇電磁力周期加速不停息擺動(dòng)

　　（一）原理和設計構想

　　大學(xué)物理演示實(shí)驗中，單擺實(shí)驗儀器的擺角一般應小于5度。從力學(xué)原理上講，單擺在不受外界影響的情況下，應以簡(jiǎn)諧振動(dòng)的方式永不停息地擺動(dòng)下去，根據受力分析，作為單擺的小球，重力沿繩子方向的分力和繩子彈力的合力提供小球做圓周運動(dòng)的向心力，沿運動(dòng)軌跡切線(xiàn)方向的分力不斷做功實(shí)現動(dòng)能和勢能的相互轉化，導致小球做周期性不停止的擺動(dòng)；然而，實(shí)際上，由于受到各種阻力因素的影響，單擺實(shí)際上是在做阻尼振動(dòng)，阻力做功消耗了擺球的機械能，最終使擺球停止在平衡位置。甚至合外力不全在豎直平面內時(shí)，還會(huì )作其他擺動(dòng)，如做圓錐擺動(dòng)等。

　　經(jīng)過(guò)試驗探索發(fā)現，用周期等于單擺擺動(dòng)周期的間歇電磁力來(lái)驅動(dòng)單擺時(shí)，磁場(chǎng)可以補充擺動(dòng)過(guò)程中損失的'能量，致使單擺永不停息地擺動(dòng)下去，并且還發(fā)現本儀器兼有傅科擺的演示效果，即擺動(dòng)到一定的時(shí)間后可明顯觀(guān)察到由于地球自轉產(chǎn)生的擺平面出現的偏轉角。

　　（二）實(shí)驗儀電路及工作原理

　　1.實(shí)驗儀的電路組成。

　　本實(shí)驗儀電器控制電路包括兩個(gè)電路部分：1-弱電控制單元，2-電磁力驅動(dòng)單元，如圖1所示。

　　1-弱電控制單元的組成：銅環(huán)與電磁繼電器串聯(lián)后接入到12V直流電路中；

　　2-電磁力驅動(dòng)單元的組成：電磁鐵的電磁線(xiàn)圈與開(kāi)關(guān)S1、電磁繼電器的觸頭和指示燈順序串聯(lián)后，接入220V的交流電路中。

　　2.其工作原理是：閉合開(kāi)關(guān)S1，同時(shí)使擺球擺動(dòng)起來(lái)。在每個(gè)擺動(dòng)周期內，球在兩個(gè)最高點(diǎn)時(shí)，吊球的銅絲與銅環(huán)接觸的瞬間電磁繼電器接通，使電磁鐵通電產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的磁場(chǎng)力。當小球離開(kāi)最高點(diǎn)時(shí)，磁力隨即消失，這樣使得小球在每次回擺時(shí)受到外加電磁力的驅動(dòng)，獲得補充能量來(lái)克服外界阻力產(chǎn)生的影響，從而使小球永不停息地擺動(dòng)下去。電路指示燈工作過(guò)程是，開(kāi)關(guān)S1閉合，電磁繼電器接通，電磁鐵回路接通，指示燈亮；否則，指示燈熄滅。

　　（三）實(shí)驗儀結構示意圖

　　實(shí)驗儀結構示意圖如圖2所示：(1)12V直流電源；(2)12V電源接線(xiàn)柱；(3)工作指示燈；(4)交流電源接線(xiàn)柱；(5)保險絲；(6)帶指示燈開(kāi)關(guān)；(7)單擺小球；(8)銅絲制擺線(xiàn)；(9)銅環(huán)；(10)固定架；(11)導線(xiàn)；(12)底座。

　　實(shí)驗儀線(xiàn)路連接：直流電源的正負接線(xiàn)柱接裝置的兩個(gè)接線(xiàn)柱，電源接線(xiàn)柱接220V交流電。

　　（四）功能特點(diǎn)及效果分析

　　1.實(shí)驗儀的功能特點(diǎn)。

　�。�1）集“單擺演示、電磁力驅動(dòng)演示、傅科擺演示和弱電控制強電演示”于一體，且演示效果顯著(zhù)。

　�。�2）集“力、電、磁”知識于一身，知識含量豐富，趣味性強，能很好地激發(fā)同學(xué)們探索科學(xué)的興趣。是一種很好的“綜合性、探索性、創(chuàng )新性”演示實(shí)驗。

　�。�3）采用低壓弱電控制高壓強電，把強電路放在裝置內部，低壓控制電路置于操作區，使實(shí)驗儀器具有很好的安全性。

　　2.實(shí)驗儀注意事項及演示效果分析。

　�。�1）實(shí)驗開(kāi)始時(shí)最好在銅絲上鍍一層錫，這樣銅絲與銅環(huán)的接觸效果會(huì )更好，實(shí)驗現象的明顯度也會(huì )大大提高。

　�。�2）換重一些擺球不僅會(huì )使接觸效果增強，還會(huì )增加實(shí)驗現象的明顯度。

　�。�3）每個(gè)周期內，銅絲與銅環(huán)接觸兩次，電磁繼電器的銜鐵也將被吸合、釋放兩次，指示燈也同步閃亮兩次、演示效果明顯。

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