單擺

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[摘要]單擺演示實驗儀是中學物理教學中的常用實驗儀。由于摩擦等外界阻力的作用，普通單擺的小球擺動一段時間后會停下來。永不停息單擺是用間歇電磁力來周期地加速擺球的特殊單擺，是綜合力學原理和電磁學原理進行創新研制而成的。

[關鍵詞]單擺間歇電磁力周期加速不停息擺動

（一）原理和設計構想

大學物理演示實驗中，單擺實驗儀器的擺角一般應小于5度。從力學原理上講，單擺在不受外界影響的情況下，應以簡諧振動的方式永不停息地擺動下去，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的向心力，沿運動軌跡切線方向的分力不斷做功實現動能和勢能的相互轉化，導致小球做周期性不停止的擺動；然而，實際上，由于受到各種阻力因素的影響，單擺實際上是在做阻尼振動，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，還會作其他擺動，如做圓錐擺動等。

經過試驗探索發現，用周期等于單擺擺動周期的間歇電磁力來驅動單擺時，磁場可以補充擺動過程中損失的能量，致使單擺永不停息地擺動下去，并且還發現本儀器兼有傅科擺的演示效果，即擺動到一定的時間后可明顯觀察到由于地球自轉產生的擺平面出現的偏轉角。

（二）實驗儀電路及工作原理

1.實驗儀的電路組成。

本實驗儀電器控制電路包括兩個電路部分：1-弱電控制單元，2-電磁力驅動單元，如圖1所示。

1-弱電控制單元的組成：銅環與電磁繼電器串聯后接入到12V直流電路中；

2-電磁力驅動單元的組成：電磁鐵的電磁線圈與開關S1、電磁繼電器的觸頭和指示燈順序串聯后，接入220V的交流電路中。

2.其工作原理是：閉合開關S1，同時使擺球擺動起來。在每個擺動周期內，球在兩個最高點時，吊球的銅絲與銅環接觸的瞬間電磁繼電器接通，使電磁鐵通電產生一個瞬時的磁場力。當小球離開最高點時，磁力隨即消失，這樣使得小球在每次回擺時受到外加電磁力的驅動，獲得補充能量來克服外界阻力產生的影響，從而使小球永不停息地擺動下去。電路指示燈工作過程是，開關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）實驗儀結構示意圖

實驗儀結構示意圖如圖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)保險絲；(6)帶指示燈開關；(7)單擺小球；(8)銅絲制擺線；(9)銅環；(10)固定架；(11)導線；(12)底座。

實驗儀線路連接：直流電源的正負接線柱接裝置的兩個接線柱，電源接線柱接220V交流電。

（四）功能特點及效果分析

1.實驗儀的功能特點。

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

（2）集“力、電、磁”知識于一身，知識含量豐富，趣味性強，能很好地激發同學們探索科學的興趣。是一種很好的“綜合性、探索性、創新性”演示實驗。

（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，使實驗儀器具有很好的安全性。

2.實驗儀注意事項及演示效果分析。

（1）實驗開始時最好在銅絲上鍍一層錫，這樣銅絲與銅環的接觸效果會更好，實驗現象的明顯度也會大大提高。

（2）換重一些擺球不僅會使接觸效果增強，還會增加實驗現象的明顯度。

（3）每個周期內，銅絲與銅環接觸兩次，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。