[发明专利]机械能守恒实验器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量机械能守恒的实验器，属于中学物理实验技术领域。

背景技术

机械能守恒是中学物理教学内容中非常重要的一个部分。传统的机械能守恒实验多采用摆球法演示，但不能进行定量分析，只能从原理上加以说明。也有的用打点计时器进行实验，受各方面因素影响，第一与第二点间的误差较大，从而使整个实验误差加大或实验失败，实验的成功率不高。随着信息化技术的发展，光电门传感器逐步应用于实验教学中，为定量分析提供了良好的基础。但是，要想充分发挥传感器的作用，需要有较为理想的物理模型与之配套使用。

因此，利用光电传感器进行机械能守恒实验的实验器应运而生，如中国专利文献CN201007867公开的《机械能守恒实验器》，包括支架、主板、副板、圆柱形摆锤、光电传感器固定臂、光电传感器和磁铁夹固定臂，支架上安装有定位挡片；主板和副板分别安装在支架的左右两侧；光电传感器固定臂的一端和磁铁夹固定臂的一端均安装在支架上部且安装轴在同一轴线上，光电传感器固定臂在主板后面，磁铁夹固定臂在主板前面；光电传感器固定臂的另一端安装有光电传感器；磁铁夹固定臂的另一端带有磁铁夹，摆锤通过摆锤线连接在磁铁夹固定臂与支架的安装轴上。CN200979765公开的《演示用机械能守恒实验仪》，至少包含有一底座，一固定支架，还有一固定在支架上端的平板，在平板的上方正中相接有一根下垂线，线下固定有一个钢质摆球，在平板的至少一侧上方设置有一个可吸放钢质摆球的磁性释放器，而在钢质摆球的摆动轨迹边缘的平板上设置有至少两个光电门传感器。

虽然上述实验器材解决了传统仪器中存在的问题，但各有弊端，如中国专利文献CN201007867公开的《机械能守恒实验器》，是通过移动光电门传感器测量摆锤在不同位的运动速度，所以，实验时需要多次测量，导致实验效率不高。CN200979765公开的《演示用机械能守恒实验仪》需要设置多个光电门，此类实验器最多限制只能测量四个组数据，且因光电门之间存在测量误差，引起实验数据不准，实验器材成本过高。

发明内容

本发明针对现有机械能守恒实验技术存在的不足，提供一种操作简单、运行稳定、成本低廉、实验效率高效果好的机械能守恒实验器。

本发明的机械能守恒实验器，采用以下技术方案：

该机械能守恒实验器，包括底座、立柱、刻度板和控制电路；底座上安装有立柱，立柱上部安装有摆杆，摆杆的下端连接有摆锤，摆锤上安装有一只光电门传感器，刻度板固定安装在底座侧面，刻度板的上侧呈圆弧形，该圆弧形上侧的边沿分布有至少两个挡光片，刻度板上侧圆弧形的上下两端分别设置有释放装置和接收装置；控制电路包括主控电路、稳压电路和光电门采集电路，光电门传感器与光电门采集电路连接，光电门采集电路与主控电路连接，主控电路与稳压电路连接。

释放装置包括上下两个夹片，两个夹片相对安装在一个转轴上，转轴上设置有扭簧，扭簧两端分别压在两个夹片上，上夹片的外端设有端钩。端钩可钩住摆锤，按压上夹片的里端，端钩抬起，可释放摆锤。

接收装置为一个阻挡块，当摆锤摆动到此位置时，阻挡住摆锤继续下落摆动，使之卡在此处。

主控电路，包括单片机U1和下载接口，下载接口与单片机U1连接。

光电门采集电路，包括接口J3、电阻R3、电阻R4和电容C8，接口J3分别通过电阻R3和电阻R4与主控电路中下载接口的电源引脚连接；电容C8一端与主控电路中下载接口的电源引脚连接，一端接地；接口J3与光电门传感器连接，接口J3的第3脚与主控电路中的单片机U1连接。

实验时，将主控电路与计算机连接，将摆锤固定在释放装置上，释放摆锤使其下落，其上的光电门传感器依次通过刻度板上的各个挡光片，光电门传感器的挡光信号传输至主控电路，主控电路进行数据处理，并将数字信号传输至计算机，计算机将光电门传感器的挡光时间转换为光电门通过挡光片时的速度，并计算出摆锤的动能、势能和机械能，并可通过曲线进行显示。

本发明结构简单，只需配备一只光电门传感器；操作方便，摆锤带动光电门传感器只要下落一次，便可采集多次挡光数据，这样一次实验便可代替传统实验器六次实验；可自动计算出摆锤的动能、势能、机械能，并能显示出动能、势能、机械能的三条曲线进行对比，更加直观，教学效果更加；采用刚性的碳纤维杆代替传统实验器中的连线，摆锤在摆动时，运行更加稳定。

附图说明

图1是本发明机械能守恒实验器的结构示意图。

图2是本发明机械能守恒实验器中刻度板的结构示意图。