基于电磁感应线圈的自由落体装置及加速度测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于电磁感应线圈的自由落体装置及加速度测量方法，包括控制基座，控制基座上设有导线柱和空心立柱，导线柱与空心立柱上设有第一线圈固定装置、第二线圈固定装置和第三线圈固定装置，第一线圈固定装置、第二线圈固定装置和第三线圈固定装置内分别设有第一线圈、第二线圈和第三线圈；空心立柱的顶部设有固定架，固定架上设有按钮和励磁线圈，励磁线圈的内部设有磁铁，磁铁的底部连接有吸附套，吸附套内设有钢球；第一线圈、第二线圈和第三线圈与信号放大器相连，信号放大器与A/D转换器相连，A/D转换器与控制器相连，控制器连接显示屏、定时器和按钮。本发明专利技术可以测量钢球自由落体时的加速度并显示数值大小，增加教学实验的丰富性。

Free Falling Device Based on Electromagnetic Induction Coil and Acceleration Measurement Method

【技术实现步骤摘要】
基于电磁感应线圈的自由落体装置及加速度测量方法
本专利技术涉及实验教学仪器领域，特别是一种基于电磁感应线圈的自由落体装置及加速度测量方法。
技术介绍
由力学的基本理论可知：对于地球附近的一切物体，无论质量大小、形状如何，都受到地球对其竖直向下的吸引力，我们称之为重力。在物理上将物体只在重力的作用下，做初速度为零的竖直向下运动称为自由落体运动。而现今教师由于物体自由落体的教学方法只是在学生面前展示钢球在地球的引力作用下做匀加速运动，但是学生只能看到钢球下落，却不能直观得知道钢球具体的加速度大小，增加了教学实验的局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种基于电磁感应线圈的自由落体装置及加速度测量方法。本专利技术可以测量钢球自由落体时的加速度并直观的显示数值大小，增加了教学实验的丰富性。本专利技术的技术方案：基于电磁感应线圈的自由落体装置，包括控制基座，控制基座上设有导线柱，控制基座上经固定开口环螺纹连接有空心立柱，导线柱与空心立柱上由上而下套设有第一线圈固定装置、第二线圈固定装置和第三线圈固定装置，第一线圈固定装置、第二线圈固定装置和第三线圈固定装置内分别设有第一线圈、第二线圈和第三线圈，第一线圈、第二线圈和第三线圈均与空心立柱同轴心；所述空心立柱的顶部设有固定架，固定架上设有按钮和励磁线圈，励磁线圈的内部设有磁铁，磁铁的底部连接有吸附套，吸附套内经磁铁的吸力吸附有钢球；所述控制基座内设有控制器、A/D转换器、信号放大器和定时器，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈经导线与信号放大器相连，信号放大器经导线与A/D转换器相连，A/D转换器经导线与控制器相连，控制器经导线连接有设置在控制基座上的显示屏，且控制器经导线分别与定时器和按钮相连。前述的基于电磁感应线圈的自由落体装置中，所述第一线圈固定装置、第二线圈固定装置和第三线圈固定装置具有相同的结构，所述第一线圈固定装置包括相契合的上壳体和下壳体，上壳体上设有第一上孔和第二上孔，第一上孔的内部设有第一上圆环，第二上孔的内部设有第二上圆环，下壳体上设有第一下孔和第二下孔，第一下孔的内部设有第一下圆环，第二下孔的内部设有第二下圆环，第一上圆环与第一下圆环组成第一通道，第二上圆环与第二下圆环组成第二通道，所述导线柱设置在第一通道内，空心立柱设置在第二通道内；所述上壳体内部还设有与第二上圆环同轴心的上限位环，上限位环与第二上圆环之间设有上腔，下壳体内部设有与第二下圆环同轴心的下限位环，下限位环与第二下圆环之间设有下腔，上腔和下腔组成线圈腔室，所述第一线圈设置在线圈腔室内；所述上壳体穿设有两个用于连接导线的电缆接头，电缆接头的底部伸入线圈腔室并分别与第一线圈的两个端部相连接；所述下壳体的两侧铰接有固定杆，上壳体的两侧设有固定块，每个固定块上设有与固定杆相契合和限位卡槽。前述的基于电磁感应线圈的自由落体装置中，所述上壳体的顶部设有开口锁紧接头，且开口锁紧接头的外径由上而下线性增大，开口锁紧接头的内径与第一上孔的内径相同，开口锁紧接头的外侧配合连接有锁紧螺母。前述的基于电磁感应线圈的自由落体装置中，所述上壳体内部设有多个空心固定柱，下壳体内部设有多个与空心固定柱相契合的实心固定柱。前述的基于电磁感应线圈的自由落体装置中，所述上壳体的内壁上设有第一限位环，下壳体的内壁上设有第二限位环，空心固定柱与实心固定柱的外侧套设有弹簧，弹簧的一端设置在第一限位环上，弹簧的另一端设置在第二限位环上。前述的基于电磁感应线圈的自由落体装置中，所述第一线圈固定装置与第二线圈固定装置之间的距离和第二线圈固定装置与第三线圈固定装置之间的距离相等。前述的基于电磁感应线圈的自由落体装置中，所述固定架的底部设有应力连杆，应力连杆的末端设有轴套，轴套套设在导线柱的外侧。前述的基于电磁感应线圈的自由落体装置中，所述固定开口环内设有固定在控制基座上的固定座，固定座的内侧设有多个凸条，固定座上嵌设有冲击承受套，冲击承受套为弹性材料，冲击承受套的外侧设有多个与凸条相配合的滑槽，冲击承受套的内径小于钢球的外径。前述的基于电磁感应线圈的自由落体装置加速度测量方法，具体包括以下步骤：(1)调整第一线圈固定装置、第二线圈固定装置和第三线圈固定装置，使得第一线圈固定装置与第二线圈固定装置之间的距离和第二线圈固定装置与第三线圈固定装置之间的距离相等；(2)开启电源，控制器初始化，第一线圈、第二线圈和第三线圈通电分别产生第一感应磁场、第二感应磁场和第三感应磁场；(3)按下按钮，控制器控制定时器开始计时，励磁线圈充磁产生反向弱磁场，并抵消部分磁铁产生的磁场，磁铁的吸力减小，吸附套放开钢球；(4)钢球做自由落体运动，当钢球分别穿过第一线圈、第二线圈和第三线圈时，控制器获得第一标记时间点t1、第二标记时间点t2和第三标记时间点t3，控制器通过以下计算公式获得t1，t2和t3：第一标记点时间点，t2为第二标记点时间点，t3为第三标记点时间点，tA为钢球刚进入第一感应磁场的时间，tB为钢球刚落出第一感应磁场的时间，tC为钢球刚进入第二感应磁场的时间，tD为钢球刚落出第二感应磁场的时间，tE为钢球刚进入第三感应磁场的时间，tF为钢球刚落出第三感应磁场的时间；(5)控制器根据以下公式计算钢球做自由落体时的加速度：球的加速度，X为第一线圈与第二线圈之间的距离(等于第二线圈与第三线圈之间的距离)，落到第二线圈的时间，落到第三线圈的时间；(6)控制器根据计算结果将钢球自由落体时的加速度数据传输到显示屏，显示屏显示加速度。前述的基于电磁感应线圈的自由落体装置加速度测量方法中，步骤(3)中所述励磁线圈产生的反向弱磁场小于磁铁的退磁曲线归矫顽力点对应的反向磁场。与现有技术相比，本专利技术将导线柱设置在控制基座上，将第一线圈固定装置、第二线圈固定装置和第三线圈固定装置固定在导线柱上，且第一线圈固定装置、第二线圈固定装置和第三线圈固定装置套设在空心立柱外侧。第一线圈固定装置、第二线圈固定装置和第三线圈固定装置内分别设置第一线圈、第二线圈和第三线圈，空心立柱的顶部设置固定架，将励磁线圈设置在固定架上，并在励磁线圈中部设置磁铁，磁铁的底部连接吸附套，钢球经磁铁的吸力固定在固定套内。按下固定架上的按钮时，控制基座内的控制器控制定时器开始计时，励磁线圈充磁产生反向弱磁场，并抵消部分磁铁产生的磁场，磁铁的吸力减小，吸附套放开钢球，钢球做自由落体运动，当钢球分别穿过第一线圈、第二线圈和第三线圈时，由于改变了第一线圈、第二线圈和第三线圈内的磁通产生三组感应电压数据，三组感应电压数据经信号放大器放大信号后，再由A/D转换器将电信号转换为数字信号，传输到控制器，控制器再根据三组感应电压数据产生时定时器对应的三个时间段，计算钢球从第一线圈到第二线圈所用的时间以及钢球从第二线圈到第三线圈所用的时间，计算得出钢球自由落体时的加速度并将数据传输到显示屏。实验人员可以根据显示屏上显示的数值得知钢球自由落体时加速度的大小，实验现象十分直观，增加了教学实验的丰富性。本专利技术的第一线圈固定装置、第二线圈固定装置和第三线圈固定装置具有相同的结构，第一线圈固定装置由上壳体和下壳体组成，第一线圈设置在线圈腔室内，既能固定第一线圈，防止第一线圈发生偏移，又能避免钢球或杂物碰到第一线圈，影响测量精度。将设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于电磁感应线圈的自由落体装置，其特征在于：包括控制基座(1)，控制基座(1)上设有导线柱(2)，控制基座(1)上经固定开口环(55)螺纹连接有空心立柱(3)，导线柱(2)与空心立柱(3)上由上而下套设有第一线圈固定装置(4)、第二线圈固定装置(5)和第三线圈固定装置(6)，第一线圈固定装置(4)、第二线圈固定装置(5)和第三线圈固定装置(6)内分别设有第一线圈(43)、第二线圈(52)和第三线圈(53)，第一线圈(43)、第二线圈(52)和第三线圈(53)均与空心立柱(3)同轴心；所述空心立柱(3)的顶部设有固定架(7)，固定架(7)上设有按钮(11)和励磁线圈(8)，励磁线圈(8)的内部设有磁铁(44)，磁铁(44)的底部连接有吸附套(9)，吸附套(9)内经磁铁(44)的吸力吸附有钢球(10)；所述控制基座(1)内设有控制器(47)、A/D转换器(50)、信号放大器(51)和定时器(48)，所述第一线圈(43)、第二线圈(52)和第三线圈(53)经导线与信号放大器(51)相连，信号放大器(51)经导线与A/D转换器(50)相连，A/D转换器(50)经导线与控制器(47)相连，控制器(47)经导线连接有设置在控制基座(1)上的显示屏(49)，且控制器(47)经导线分别与定时器(48)和按钮(11)相连。...

【技术特征摘要】
1.基于电磁感应线圈的自由落体装置，其特征在于：包括控制基座(1)，控制基座(1)上设有导线柱(2)，控制基座(1)上经固定开口环(55)螺纹连接有空心立柱(3)，导线柱(2)与空心立柱(3)上由上而下套设有第一线圈固定装置(4)、第二线圈固定装置(5)和第三线圈固定装置(6)，第一线圈固定装置(4)、第二线圈固定装置(5)和第三线圈固定装置(6)内分别设有第一线圈(43)、第二线圈(52)和第三线圈(53)，第一线圈(43)、第二线圈(52)和第三线圈(53)均与空心立柱(3)同轴心；所述空心立柱(3)的顶部设有固定架(7)，固定架(7)上设有按钮(11)和励磁线圈(8)，励磁线圈(8)的内部设有磁铁(44)，磁铁(44)的底部连接有吸附套(9)，吸附套(9)内经磁铁(44)的吸力吸附有钢球(10)；所述控制基座(1)内设有控制器(47)、A/D转换器(50)、信号放大器(51)和定时器(48)，所述第一线圈(43)、第二线圈(52)和第三线圈(53)经导线与信号放大器(51)相连，信号放大器(51)经导线与A/D转换器(50)相连，A/D转换器(50)经导线与控制器(47)相连，控制器(47)经导线连接有设置在控制基座(1)上的显示屏(49)，且控制器(47)经导线分别与定时器(48)和按钮(11)相连。2.根据权利要求1所述的基于电磁感应线圈的自由落体装置，其特征在于：所述第一线圈固定装置(4)、第二线圈固定装置(5)和第三线圈固定装置(6)具有相同的结构，所述第一线圈固定装置(4)包括相契合的上壳体(16)和下壳体(28)，上壳体(16)上设有第一上孔(17)和第二上孔(18)，第一上孔(17)的内部设有第一上圆环(19)，第二上孔(18)的内部设有第二上圆环(20)，下壳体(28)上设有第一下孔(29)和第二下孔(30)，第一下孔(29)的内部设有第一下圆环(31)，第二下孔(30)的内部设有第二下圆环(32)，第一上圆环(19)与第一下圆环(31)组成第一通道(38)，第二上圆环(20)与第二下圆环(32)组成第二通道(39)，所述导线柱(2)设置在第一通道(38)内，空心立柱(3)设置在第二通道(39)内；所述上壳体(16)内部还设有与第二上圆环(20)同轴心的上限位环(21)，上限位环(21)与第二上圆环(20)之间设有上腔(22)，下壳体(28)内部设有与第二下圆环(32)同轴心的下限位环(33)，下限位环(33)与第二下圆环(32)之间设有下腔(34)，上腔(22)和下腔(34)组成线圈腔室(42)，所述第一线圈(43)设置在线圈腔室(42)内；所述上壳体(16)穿设有两个用于连接导线的电缆接头(54)，电缆接头(54)的底部伸入线圈腔室(42)并分别与第一线圈(43)的两个端部相连接；所述下壳体(28)的两侧铰接有固定杆(37)，上壳体(16)的两侧设有固定块(26)，每个固定块(26)上设有与固定杆(37)相契合和限位卡槽(27)。3.根据权利要求2所述的基于电磁感应线圈的自由落体装置，其特征在于：所述上壳体(16)的顶部设有开口锁紧接头(25)，且开口锁紧接头(25)的外径由上而下线性增大，开口锁紧接头(25)的内径与第一上孔(17)的内径相同，开口锁紧接头(25)的外侧配合连接有锁紧螺母(40)。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：徐弼军，童鑫，米莱，王东，闫梦瑶，孙志超，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33