新型阿特伍德实验仪

摘要

一种新型阿特伍德实验仪，属于物理仪器技术领域。包括底板；定滑轮组件；轻绳；第一物块；第二物块；第一砝码机构，包括第一砝码调节单元和第一条形砝码，第一砝码调节单元控制第一条形砝码使其嵌入第一物块的第一下砝码容纳槽或从第一下砝码容纳槽中分离；第二砝码机构，包括第二砝码调节单元和第二条形砝码，第二砝码调节单元控制第二条形砝码使其嵌入第一物块的第一上砝码容纳槽；第三砝码机构，包括第三砝码调节单元和第三条形砝码，第三砝码调节单元控制第三条形砝码使其嵌入第二物块的第二下砝码容纳槽或从第二下砝码容纳槽中分离；第四砝码机构。解决现有阿特伍德机只能研究初速度为零的纯匀加速直线运动问题，可完成变速直线运动。

说明书

技术领域

本发明属于物理仪器技术领域，具体涉及一种新型阿特伍德实验仪。

背景技术

阿特伍德机是一种用于测量加速度及验证运动定律的机械，此机械目前经常出现在学 校教学中，用于解释物理学的原理，尤其是力学；又由于其结构简单，能研究的物理问题 单一，故应用该装置时大多采用自组形式，而没有正规产品。阿特伍德机的基本结构是跨 过定滑轮的轻绳两端悬挂两个质量相等的物块，当在一物块上附加另一小物块时，该物块 即由静止开始加速滑落，经一段距离后附加物块自动脱落，系统匀速运动，测得此运动速 度即可求得重力加速度。就目前而言，阿特伍德机仅能用于研究初速度为零的这种比较特 殊的直线运动问题，如纯的匀速直线问题和纯的加速问题，但不能研究匀速和加速可以相 互转换的直线运动问题，这就限制了很多可以用实验来验证和研究的实验项目的开发。

鉴于上述已有技术，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种 背景下产生的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型阿特伍德实验仪，能用于研究匀速和加速相互转换的 直线运动问题，大大扩展可以通过实验进行验证和研究的实验内容。

本发明的目的是这样来达到的，一种新型阿特伍德实验仪，其特征在于：包括底板， 在底板的长度方向以间隔状态且平行面对面固定有一对左立柱和一对右立柱；定滑轮组 件，所述的定滑轮组件设置在一对左立柱和一对右立柱的高度方向的上方；轻绳，所述的 轻绳跨设在定滑轮组件上；第一物块，所述的第一物块与轻绳的一端连接，且位置对应于 一对左立柱的中间，第一物块在高度方向的顶部且沿长度方向开设第一上砝码容纳槽，而 在高度方向的底部且沿宽度方向开设第一下砝码容纳槽；第二物块，所述的第二物块与轻 绳的另一端连接，且位置对应于一对右立柱的中间，第二物块在高度方向的顶部且沿长度 方向开设第二上砝码容纳槽，而在高度方向的底部且沿宽度方向开设第二下砝码容纳槽； 第一砝码机构，所述的第一砝码机构包括第一砝码调节单元和第一条形砝码，所述的第一 砝码调节单元控制第一条形砝码，使其嵌入第一物块的第一下砝码容纳槽或从第一下砝码 容纳槽中分离；第二砝码机构，所述的第二砝码机构包括第二砝码调节单元和第二条形砝 码，所述的第二砝码调节单元控制第二条形砝码，使其嵌入第一物块的第一上砝码容纳槽； 第三砝码机构，所述的第三砝码机构包括第三砝码调节单元和第三条形砝码，第三砝码调 节单元控制第三条形砝码，使其嵌入第二物块的第二下砝码容纳槽或从第二下砝码容纳槽 中分离；第四砝码机构，所述的第四砝码机构包括第四砝码调节单元和第四条形砝码，第 四砝码调节单元控制第四条形砝码，使其从第二上砝码容纳槽中分离。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的第一砝码调节单元包括第一电磁铁、第二电 磁铁、第三电磁铁、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器以及永久磁铁，所述的第一物块具 有型腔，所述的第一电磁铁设置在该型腔的底部，所述的第二电磁铁设置在型腔内且与靠 近其中一左立柱的一内侧壁固定安装，所述的第一霍尔传感器设置在型腔内且与靠近另一 左立柱的另一内侧壁固定安装，所述的第三电磁铁有一对，面对面以朝向第一物块的状态 设置在一对左立柱的高度方向的下方，且位置对应于第一物块的第一下砝码容纳槽，第一 条形砝码的长度尺寸大于一对第三电磁铁之间的间距而小于一对左立柱之间的间距，一对 第三电磁铁用于对第一条形砝码进行吸附固定；所述的第二霍尔传感器设置在靠近第二电 磁铁一侧的左立柱上且位于该侧第三电磁铁的上方；所述的永久磁铁设置在靠近第一霍尔 传感器一侧的左立柱上且位于该侧第三电磁铁的上方。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的第二砝码调节单元包括口字形托架，所述 的托架固定在一对左立柱的高度方向的上方，托架的宽度方向的一对侧边上且对应第一物 块的第一上砝码容纳槽的位置，以彼此面对面的状态各设有一用于支撑第二条形砝码的支 撑耳，第二条形砝码的长度尺寸大于一对支撑耳之间的间距而小于托架的该对侧边之间的 间距。

在本发明的又一个具体的实施例中，所述的底板上还设有启动装置，所述的启动装置 固定在第一物块的高度方向的底部。

在本发明的再一个具体的实施例中，所述的启动装置为弹簧，所述的一对左立柱在高 度方向的底部设有一可上下调节高度的隔板，所述的隔板在中央位置开设通孔，所述的弹 簧的一端与底板固定，弹簧的另一端构成为自由端，该自由端向上穿过通孔后朝向第一物 块延伸。

在本发明的还有一个具体的实施例中，还包括计时计程装置，用于测量第一物块或第 二物块所发生位移的大小或所对应的时间。

在本发明的更而一个具体的实施例中，还包括若干小砝码，所述的第一物块和第二物 块分别在高度方向的顶部并且位于中央位置开设有用于容纳小砝码的第一砝码容纳腔和 第二砝码容纳腔。

在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的定滑轮组件包括四个定滑轮，所述的四 个定滑轮两两配合构成两对，其中一对固定在一对左立柱的高度方向的上方，另一对固定 在一对右立柱的高度方向的上方；所述的轻绳的数量有两根，与构成一对的两定滑轮一一 对应，两根轻绳依次跨过两对定滑轮后连接第一物块和第二物块。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，所述的定滑轮组件由有机玻璃或铝合金构 成。

在本发明的又进而一个具体的实施例中，所述的第三砝码调节单元与第一砝码调节单 元结构相同，所述的第四砝码调节单元与第二砝码调节单元结构相同，第一条形砝码、第 二条形砝码、第三条形砝码以及第四条形砝码的重量相同；第二物块和第一物块的结构及 重量相同。

本发明由于采用了上述结构，与现有技术相比，具有的有益效果是：解决了现有阿特 伍德机只能研究初速度为零的纯匀加速直线运动问题，可以完成匀速运动→匀加速运动→ 匀速运动这样的变速直线运动，大大拓展了研究运动问题的实验项目；通过设置启动装置， 在同等条件下可以重复测量；整体结构简单。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明所述的第一物块吸附第一条形砝码的工作状态示意图。

图3为本发明所述的第一物块释放第一条形砝码后的工作状态示意图。

图4为本发明所述的第一物块接触第二条形砝码的工作状态示意图。

图5为本发明所述的第一物块添加第二条形砝码后的工作状态示意图。

图6为本发明一实施例的运行示意图。

图7为本发明验证牛顿第二定律时的一函数示意图。

图8为本发明验证牛顿第二定律时的另一函数示意图。

图中：1.底板、11.左立柱、12.右立柱、13.启动装置、14.隔板；2.定滑轮组件、21.定 滑轮；3.轻绳；4.第一物块、41.第一上砝码容纳槽、42.第一下砝码容纳槽、43.第一砝 码容纳腔；5.第二物块、51.第二上砝码容纳槽、52.第二下砝码容纳槽、53.第二砝码容 纳腔；6.第一砝码机构、61.第一砝码调节单元、611.第一电磁铁、612.第二电磁铁、613. 第三电磁铁、614.第一霍尔传感器、615.第二霍尔传感器、616.永久磁铁、62.第一条形 砝码；7.第二砝码机构、71.第二砝码调节单元、711.托架、712.支撑耳、72.第二条形砝 码；8.第三砝码机构、81.第三砝码调节单元、82.第三条形砝码；9.第四砝码机构、91. 第四砝码调节单元、92.第四条形砝码。

具体实施方式

为了使公众能充分了解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本 发明的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依 据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

请参阅图1，一种新型阿特伍德实验仪，包括底板1，在底板1的长度方向以间隔状 态且平行面对面固定有一对左立柱11和一对右立柱12；定滑轮组件2，所述的定滑轮组 件2包括四个定滑轮21，所述的四个定滑轮21两两配合构成两对，其中一对固定在一对 左立柱11高度方向的上方，另一对固定在一对右立柱12的高度方向的上方，定滑轮组件 2由有机玻璃或铝合金构成；轻绳3，为了增强牵引的稳定性，所述的轻绳3的数量有两 根，与构成一对的两定滑轮21一一对应，两根轻绳3依次跨过两对定滑轮21；第一物块 4，所述的第一物块4分别与两根轻绳3的一端连接，且位置对应于一对左立柱11的中间， 第一物块4在高度方向的顶部且沿长度方向开设第一上砝码容纳槽41，而在高度方向的底 部且沿宽度方向开设第一下砝码容纳槽42；第二物块5，所述的第二物块5分别与两根轻 绳3的另一端连接，且位置对应于一对右立柱12的中间，第二物块5在高度方向的顶部 且沿长度方向开设第二上砝码容纳槽51，而在高度方向的底部且沿宽度方向开设第二下砝 码容纳槽52；第一砝码机构6，所述的第一砝码机构6包括第一砝码调节单元61和第一 条形砝码62，所述的第一砝码调节单元61控制第一条形砝码62，使其嵌入第一物块4的 第一下砝码容纳槽42或从第一下砝码容纳槽42中分离；第二砝码机构7，所述的第二砝 码机构7包括第二砝码调节单元71和第二条形砝码72，所述的第二砝码调节单元71控制 第二条形砝码72，使其嵌入第一物块4的第一上砝码容纳槽41；第三砝码机构8，所述的 第三砝码机构8包括第三砝码调节单元81和第三条形砝码82，第三砝码调节单元81控制 第三条形砝码82，使其嵌入第二物块5的第二下砝码容纳槽52或从第二下砝码容纳槽52 中分离；第四砝码机构9，所述的第四砝码机构9包括第四砝码调节单元91和第四条形砝 码92，第四砝码调节单元91控制第四条形砝码92，使其从第二上砝码容纳槽51中分离； 启动装置13，所述的启动装置13设置在第一物块4的高度方向的底部，在本实施例中， 启动装置13为弹簧，所述的一对左立柱11在高度方向的底部设有一可上下调节高度的隔 板14，所述的隔板14在中央位置开设通孔141，所述的弹簧的一端与底板1固定，弹簧 的另一端构成为自由端，该自由端向上穿过通孔141后朝向第一物块4延伸；计时计程装 置(未作图示)，所述的计时计程装置可以采用磁控或光控单元实现计时，而通过设立标 尺实现计程，以此来测量第一物块4或第二物块5所发生位移的大小或所对应的时间，计 时计程装置在现有技术中已有不少成熟的方案，此处省略赘述；以及若干小砝码(未作图 示)，所述的第一物块4和第二物块5分别在高度方向的顶部并且位于中央位置开设有用 于容纳小砝码的第一砝码容纳腔43和第二砝码容纳腔53。第一条形砝码62、第二条形砝 码72、第三条形砝码82以及第四条形砝码92的重量相同，第二物块5和第一物块4的结 构及重量相同。

请参阅图2～图5，并结合图1，所述的第一砝码调节单元61包括第一电磁铁611、 第二电磁铁612、第三电磁铁613、第一霍尔传感器614、第二霍尔传感器615以及永久磁 铁616，所述的第一物块4具有型腔，所述的第一电磁铁611设置在该型腔的底部，用于 吸附第一条形砝码62而使其嵌入第一物块4的第一下砝码容纳槽42中；所述的第二电磁 铁612设置在型腔内且与靠近其中一左立柱11的一内侧壁固定安装，所述的第一霍尔传 感器614设置在型腔内且与靠近另一左立柱11的另一内侧壁固定安装，所述的第三电磁 铁613有一对，面对面以朝向第一物块4的状态设置在一对左立柱11的高度方向的下方， 且位置对应于第一物块4的第一下砝码容纳槽42，第一条形砝码62的长度尺寸大于一对 第三电磁铁613之间的间距而小于一对左立柱11之间的间距，一对第三电磁铁613用于 对第一条形砝码62进行吸附固定；所述的第二霍尔传感器615设置在靠近第二电磁铁612 一侧的左立柱11上且位于第三电磁铁613的上方；所述的永久磁铁616设置在靠近第一 霍尔传感器614一侧的左立柱11上且位于第三电磁铁613的上方。

当第一电磁铁611处于通电状态时，第一条形砝码62被吸附而嵌入第一物块4的第 一下砝码容纳槽42中，此时第二电磁铁612和一对第三电磁铁613处于断电状态。随着 第一物块4上升，当第一霍尔传感器614接收到永久磁铁616的信号时，控制第一电磁铁 611断电，释放第一条形砝码62，同时控制第二电磁铁612通电。当第二霍尔传感器615 接收到第二电磁铁612的信号时，控制一对第三电磁铁613通电，用于吸附被第一物块4 释放的第一条形砝码62，防止第一条形砝码62摔地变形，改变质量。如上所述，通过第 一砝码调节单元61能实现对第一物块4的加码和减码操作。所述的第三砝码调节单元81 与第一砝码调节单元61结构相同，然而当第二物块5从第三砝码调节单元81上方逐渐下 降时，是先控制第三条形砝码82从一对右立柱12上释放，再控制其被吸附到第二物块5 的第二下砝码容纳槽5。通过第三砝码调节单元81可实现对第二物块5的加码和减码操作。

所述的第二砝码调节单元71包括口字形托架711，所述的托架711固定在一对左立柱 11的高度方向的上方，托架711的宽度方向的一对侧边上且对应第一物块4的第一上砝码 容纳槽41的位置，以彼此面对面的状态各设有一用于支撑第二条形砝码72的支撑耳712， 第二条形砝码72的长度尺寸大于一对支撑耳712之间的间距而小于托架711的该对侧边 之间的间距。实验开始时，所述的第二条形砝码72被架设在一对支撑耳712上，当第一 物块4由下往上逐渐上升至该一对支撑耳712的高度位置时，所述的第二条形砝码72嵌 入第一物块4的第一上砝码容纳槽41内，并随着第一物块4的继续上升而脱离一对支撑 耳712。如上所述，通过第二砝码调节单元71能实现对第一物块4的加码操作。所述的第 四砝码调节单元91与第二砝码调节单元71结构相同，但其配合第四条形砝码92，是实现 对第二物块5的减码操作。

请参阅图6，设定所述的第一物块4为上升重物，而所述的第二物块5为下降重物。 选定各砝码调节单元的位置，使得上升重物释放第一条形砝码62和下降重物吸附第三条 形砝码82是同时的，同时上升重物添加第二条形砝码72和下降重物释放第四条形砝码92 是同时的。实验初始阶段，第一条形砝码62由第一电磁铁611吸附而嵌入第一物块4的 第一下砝码容纳槽42内，第四条形砝码92嵌入在第二物块5的第二上砝码容纳槽51，此 时第一物块4一侧和第二物块5一侧的总重量相同，系统进行匀速运动，对应图上的第一 匀速阶段；接着，第一物块4上升，第一条形砝码62被第三电磁铁613吸附而从第一物 块4被释放，同时，第二物块5下降，吸附第三条形砝码82使其嵌入第二下砝码容纳槽 52中，此时第二物块5一侧的总重量大于第一物块4一侧的总重量，系统进行加速运动， 对应图上的加速阶段；然后，第一物块4继续上升，第二条形砝码72嵌入第一物块4的 第一上砝码容纳槽41，同时，第二物块5下降，第四条形砝码92受第四砝码调节单元91 控制而从第二物块5的第二上砝码容纳槽51释放，此时第一物块4一侧和第二物块5一 侧的总重量又恢复相同，系统又进行匀速运动，对应图上的第二匀速阶段。在上述第一匀 速阶段、加速阶段及第二匀速阶段都需要通过计时计程装置完成相应的计时或计程，且第 一匀速阶段计时计程结束的同时，就是加速阶段计时计程的开始，加速阶段计时计程结束 的同时，又是第二匀速阶段计时计程的开始。第一匀速阶段的计时计程开始位置和第二匀 速阶段的计时计程结束位置可以调节。为了在相同条件下可以重复实验，以保证在第一匀 速阶段有相同的初速度,本实验仪增设了启动装置13。所述的启动装置13为弹簧，通过改 变隔板14的高度可以调节弹簧的压缩量，从而可以改变第一物块4的初速度。由上述可 知，本实验仪可以完成匀速运动→匀加速运动→匀速运动这样的变速直线运动，另外，上 述各个阶段的高度、第一、第二物块4、5的重量以及各条形砝码的重量可预先设定，第 一物块4和第二物块5在各阶段的运行时间可通过计时计程装置测得，因此本实验仪能够 被用于研究多种运动实验项目，表1为本发明的实验项目汇总表。

在本实施例中，所述的第一物块4和第二物块5的长宽比优选为4:3，而高则由其材 质和内置的第一电磁铁611、第二电磁铁612以及第一霍尔传感器614的质量决定。所述 的第一条形砝码62、第二条形砝码72、第三条形砝码82以及第四条形砝码92规格相同， 可以设计成一个系列，例如最小质量为3克，最大质量为15克，它们的宽度及厚度则由 所选材料和实际长度决定。所述的定滑轮组件2的质量越小越好，经实验认证，当定滑轮 组件2的总重不足6克时，由此产生的系统误差小于0.5％，当总重在10克左右时，由此 产生的系统误差小于0.9％。

请参阅表2，示意了质量恒定时加速度与外力成正比的实验配重方案，通过五次实验 采集数据。在所述的五次实验中，第一物块4和第二物块5分别与对应侧不同质量的小砝 码以及条形砝码组合而使定滑轮组件2两侧的质量始终保持恒定。具体的，在该实验中， 第一物块4和第二物块5的质量始终保持为285克，每次实验两者配备小砝码的质量相同， 五次实验的质量依次为12克、9克、6克、3克、0克。所述的第一条形砝码62、第二条 形砝码72、第三条形砝码82以及第四条形砝码92的质量相同，五次实验的质量依次为3 克、6克、9克、12克、15克。

在上述表中,m1表示第一物块4一侧的总质量，m2表示第二物块5一侧的总质量， m＝m1+m2，在该方案中,m恒定，始终保持为0.6KG；在加速阶段，m2>m1，此时相当于 产生一作用力F′，且F′＝m2-m1，所述的外力F＝F′*9.8/1000,而加速度a＝F/m。图 7示意了本实验的F-a图,满足了牛顿第二定律。

请参阅表3，示意了外力恒定时加速度与质量成反比的实验配重方案，同样通过五次 实验采集数据。在本方案中，第一物块4和第二物块5的质量仍分别保持为285克，五次 实验中两者每次配备小砝码的质量依次为0克、10克、20克、30克、40克。所述的第一 条形砝码62、第二条形砝码72、第三条形砝码82以及第四条形砝码92的质量始终恒定， 保持为9克。

图8示意了本实验的m-a图，满足了牛顿第二定律。对于表1中所述的其他实验项目， 本领域技术人员能凭借其专业技能轻松验证，此处不再具体赘述。