[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用小磁钢建立的耦合单摆实验装置及测量方法，确切地说，涉及一种利用小磁钢耦合的多单摆物理实验装置与测量方法，属于高等学校物理实验教学设备和实验方法的技术领域。

背景技术

17世纪，物理学家惠更斯观察到下述现象：通过横梁连接在一起的两个等长钟摆，在以稳定的相反趋势运动时，如果没有或不考虑能量的损失，这种运动将一直持续下去。惠更斯将这种稳定的运动叫做同步，并将同步的原因归结为有轻微运动的横梁。正是横梁的轻微运动，才使两个钟摆之间建立起动力学联系，最终达到同步。而且，这种联系是决定一个动力学系统能否达到同步的关键——耦合。

但是，目前在国内的大学物理专业的本科生实验中，这类实验基本都局限在演示实验的范围内，并没有安排大学生参与定量地研究相关的实验原理和实验内容，其根本原因是缺乏适当的耦合实验装置和定量测量的手段。因此，这类实验只能采用直接观察的方式，实验现象也比较简单，很难给大学生留下深刻的印象，教学效果一般。而细致、系统的同步研究都局限在科研领域，实验仪器和设备大多比较昂贵，不适合给大学本科生开设。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用小磁钢建立的耦合单摆实验装置及其测量方法，本发明的实验装置巧妙地将结构简单、成本低廉、操作容易的小磁钢作为耦合器件和耦合方式，既能成功地实现耦合，还能利用该实验装置直接观察、测量和研究更加复杂的动力学行为。

为了达到上述发明目的，本发明提供了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机所构成的；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；再用软件自动识别各个摆球，计算并显示其位置、运动速度等信息，并将各个摆球的运动轨迹保存到文件中，以供后期详细分析和处理。

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。

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。

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。

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。

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。

为了达到上述发明目的，本发明还提供了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穿套在旋转轴上，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；

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。

(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；