[发明专利]利用小磁钢建立的耦合单摆实验装置及测量方法

权利要求书

1.一种利用小磁钢建立的耦合单摆实验装置，是在耦合摆球共振演示仪的基础上，增设小磁钢、步进电机及其控制器、数字摄像装置和PC机所构成；其特征在于：该实验装置保留了耦合摆球共振演示仪的下述构件：两个三角形支架，安装在三角形支架上的、能作旋转运动的旋转轴及其轴承，等间隔排列在旋转轴上的两个或两个以上的轴套，以及悬挂于每个轴套下方的一个单摆；该仪器的旋转轴一端原有的驱动重摆被拆除，改为固联一个步进电机，并用控制器控制步进电机的转动，进而通过旋转轴与轴套之间的摩擦带动轴套下方的单摆摆动；每个轴套上都吸附数量相同的一个或多个小磁钢，且相邻轴套上的小磁钢相互吸引，使得相邻的单摆运动时互相影响，实现单摆之间的耦合；且通过改变轴套上的小磁钢数量能够调节耦合的强度；数字摄像装置位于三角形支架外侧，能够同时持续拍摄多个单摆的运动图像，并将拍摄图像送入PC机存储、处理，以供实时计算和记录耦合单摆的包括运动轨迹、振幅和频率的各种参数。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述小磁钢的外径为6～15mm，厚度为2～8mm，重量小于120克；且吸附在轴套的小磁钢的数量能够在0～6个之间调整，以精确地改变耦合强度。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述多个单摆之间的间隔距离是采用C型卡簧将轴套固定在旋转轴上，以防止其在转动时左右滑动。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述轴套上放置的多个小磁钢能够被镶嵌在该轴套外侧的环形磁钢所替代；所述旋转轴的材质为不锈钢，或者非铁磁性的金属与非金属材料。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述步进电机的控制器用于控制该步进电机的转速和旋转角度的调节范围。

6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述多个单摆的摆球都被涂上不同颜色，以使数字摄像装置容易识别，提高测量精度；所述耦合摆球共振演示仪为中国长春市长城教学仪器有限公司的产品。

7.一种利用小磁钢建立的耦合单摆实验装置进行耦合单摆实验的方法，其特征在于，所述方法包括下列操作步骤；

(1)初始化准备操作：

将多个单摆按照设定的实验要求依次排列在旋转轴的轴套上，并用C型卡簧固定轴套的位置，保持各个单摆之间的间隔距离；

启动数字摄像装置和PC机，当两者正常工作后，将数字摄像装置的摄像头对准耦合单摆，使得各个摆球的稳定位置位于PC机的显示屏中央；

将步进电机及其控制器的电源连接直流稳压电源的输出端，开启电源并缓慢地将其输出电流从零调节至工作电流，使步进电机正常运转；

(2)进行耦合单摆实验的操作：

调节步进电机的转动频率至设定的实验驱动频率；

将各个单摆从设定的实验初始相位开始运动，数字摄像装置同时开始采集和存储各个单摆的运动图像；直至各个单摆都处于稳定状态后，数字摄像装置停止图像采集，由PC机保存相关实验图像与数据。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步包括下列供选择的实验操作内容：

(2A)改变驱动频率，逐点记录不同驱动频率下各个耦合单摆处于稳定状态后的振幅和相位差，以研究耦合单摆的幅频特性和相频特性；

(2B)增加或减少位于轴套上的小磁钢数量，观察和分析磁场耦合强度发生改变后，各个耦合单摆的幅频特性和相频特性；

(2C)由低到高或由高到低地改变驱动频率，分别观察和分析在驱动频率发生相应变化的过程中，耦合单摆所呈现的各种同步形式；

(2D)改变各个耦合单摆的摆线长度，观察和分析不同摆长的耦合单摆的各种不同的同步现象；

(2E)改变各个耦合单摆的间隔距离和/或排列顺序，观察和分析不同间隔距离和/或排列顺序的耦合单摆的各种不同的同步现象，以及其对同步所需时间的影响。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述步骤(2C)中，各种同步形式是：同步→相同步→反相同步→相同步→同步。