單擺

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[摘要]單擺演示實(shí)驗(yàn)儀是中學(xué)物理教學(xué)中的常用實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)構(gòu)想

大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)中，單擺實(shí)驗(yàn)儀器的擺角一般應(yīng)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(yīng)以簡(jiǎn)諧振動(dòng)的方式永不停息地?cái)[動(dòng)下去，根據(jù)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(yùn)動(dòng)的向心力，沿運(yùn)動(dòng)軌跡切線方向的分力不斷做功實(shí)現(xiàn)動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化，導(dǎo)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(jī)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(nèi)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(yàn)探索發(fā)現(xiàn)，用周期等于單擺擺動(dòng)周期的間歇電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)單擺時(shí)，磁場(chǎng)可以補(bǔ)充擺動(dòng)過(guò)程中損失的能量，致使單擺永不停息地?cái)[動(dòng)下去，并且還發(fā)現(xiàn)本儀器兼有傅科擺的演示效果，即擺動(dòng)到一定的時(shí)間后可明顯觀察到由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的擺平面出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角。

（二）實(shí)驗(yàn)儀電路及工作原理

1.實(shí)驗(yàn)儀的電路組成。

本實(shí)驗(yàn)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(qū)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(qū)動(dòng)單元的組成：電磁鐵的電磁線圈與開關(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(nèi)，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(dāng)小球離開最高點(diǎn)時(shí)，磁力隨即消失，這樣使得小球在每次回?cái)[時(shí)受到外加電磁力的驅(qū)動(dòng)，獲得補(bǔ)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?cái)[動(dòng)下去。電路指示燈工作過(guò)程是，開關(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(yàn)儀結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：(1)12V直流電源；(2)12V電源接線柱；(3)工作指示燈；(4)交流電源接線柱；(5)保險(xiǎn)絲；(6)帶指示燈開關(guān)；(7)單擺小球；(8)銅絲制擺線；(9)銅環(huán)；(10)固定架；(11)導(dǎo)線；(12)底座。

實(shí)驗(yàn)儀線路連接：直流電源的正負(fù)接線柱接裝置的兩個(gè)接線柱，電源接線柱接220V交流電。

（四）功能特點(diǎn)及效果分析

1.實(shí)驗(yàn)儀的功能特點(diǎn)。

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

（2）集“力、電、磁”知識(shí)于一身，知識(shí)含量豐富，趣味性強(qiáng)，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(yàn)。

（3）采用低壓弱電控制高壓強(qiáng)電，把強(qiáng)電路放在裝置內(nèi)部，低壓控制電路置于操作區(qū)，使實(shí)驗(yàn)儀器具有很好的安全性。

2.實(shí)驗(yàn)儀注意事項(xiàng)及演示效果分析。

（1）實(shí)驗(yàn)開始時(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(yàn)現(xiàn)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(qiáng)，還會(huì)增加實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的明顯度。

（3）每個(gè)周期內(nèi)，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。