记忆测力计的制作.docVIP

记忆测力计的制作 　　全国自制教具评比一等奖 　　陈开云 　　（上海市风华中学200072） 　　在中学物理实验中，如何测量运动物体在某一位置或某一时刻的受力情况，如何让学生能够在物体快速运动时比较客易地观察并读取测量仪器上的数值，这始终是一个难以解决的问题。有一些实验，例如验证牛顿第二定律的实验，这是中学物理的重点实验，也是一项实验结果并不十分令人满意的实验，其难度就在于运动的物体所受到的外力难以直接测出并让学生能方便地直接读出测量数据。是否有一种能够测量运动物体所受的瞬时力，并且能够将运动中的受力大小保存下来，等到稍纵即逝的运动过程结束后，让学生仔细判读的测量仪器呢？根据这一设想，我们设计制作了“记忆测力计”这样一种新型的测力计，它除了具有一般测力计的功能外，还可以测量并“记忆”下运动物体在某一位置或某一时刻的受力大小，从而解决了一些实验中存在的难点。这种测力计外观清晰，可见度高、结构简单、灵敏度高、操作容易、实验效果良好。 1 工作原理 　　记忆测力计具有三根旋转式指针，分内、中、外三层分别旋转指示数值，见图1，其中中层指针为普通的受测力杆操纵的指计，我们称之为“指针”，靠近标尺屏的内层指针用来记忆物体受到的瞬时力，我们称之为“记忆指针”。而最外层的指针用来记录物体所受到的最大力，这在很多物理实验中是很有实用价值的。它装有阻尼装置，依靠“指针”的推动而被动地旋转，当外力消失后，由于阻尼作用而停留在原位，从而记录下物体所受的最大力。下面，我们着重介绍测力计记忆瞬时力的工作原理。记忆测力计之所以能够测量并记忆瞬时力，是在测力计的基础上增设了磁控记忆装置，这套装置由外部的标志物（内装磁铁）与仪器内的干簧管、电磁铁等操纵机构组成。指针的结构也做了相应变动，在“指针”与“记忆指针”之间设置了一套简易的离合器，记忆指针在磁控装置的控制下可以与指针重合，随指针一起旋转、也可以随时与指针脱离，不受指针的影响。实际使用时，将标志物预先放置在测力计途径中需要测试瞬时力的位置上、记忆指针置于指针的背后与其重合并随之运动，见图2。当测力计经过标志物时，测力计内的磁控装置在磁铁的作用下控制记忆指针瞬间脱离指针，并立即停靠在标尺屏当时的位置上，从而“记忆”下物体在标志物处所受到的瞬时力。 　 2 基本结构 　 　　图3是电原理图，图4是打开测力计后盖的示意图，其底部装有电池，电池的下方靠近标尺屏的一测装有常开式干簧营K1，测力杆上方有一个电磁铁，记忆指计的控制装置就按装在电磁铁上。从图5可以看到，电磁铁的中心有一根铜质的中心轴，它起到导向和支撑整个控制机沟的作用。电磁铁的铁心分成二个部分，较短的一段固定在电磁铁线圈内，较长的一段衔铁既可以在中心轴上转动又可以前后移动。两段铁心的中间放一根软弹簧，以提供衔铁恢复力。衔铁露出线圈的一端安装一片法兰盘，记忆指针就安装在这个盘上。与法兰盘紧挨着的是套在中心轴上的小齿轮，它可以自由转动但不得前后移动，小齿轮在这里既与齿条一起起到传动作用，又与法兰盘组成简易的离合器，如图6所示，小齿轮上同时安装指针。当电磁铁不工作时，衔铁在弹簧作用下将法兰盘压在小齿轮上，离合器闭合、记忆指针与指针重合。当测力杆通过齿条、齿轮带动指针旋转时，记忆指针也随之转动。反之，当磁控系统控制电磁铁工作时、衔铁被收入线圈，离合器打开，记忆指针瞬间脱离指针。由于干簧管K2对电路自保作用，衔铁被持续吸在线圈内不会转动，这样从测力计的外表看，记忆指针就停靠在标尺屏的某一位置上不再移动，而指针仍可随测力杆运动，不会对记忆指针产生干扰。 　 3 使用方法 　　记忆测力计可以单独使用，用来测量瞬时力或最大力，也可以结合其他仪器一起使用。现以验证牛顿第二定律实验为例。将记忆测力计安装在力学小车上，形成一辆”测力计小车”这样就可以从测力计上直接测出小车受到的外力大小，从而避免了以往实验中存在的弊病，实验装置如图7所示。将测力计小车放在略微倾斜的斜面板上端，通过细线挂上砝码，并在适当位置放置标志物。用计时器来测量小车位移s所需要的时间t。实验时，在细线右端挂上适当的砝码，让小车作匀加速运动，并记下小车通过位移s时所需要的时间t，并由此算出相应的加速度a。当小车经过标志物时，记忆测力计记忆下了这一瞬间小车受到的外力T，并在小车停止后由学生从记忆测力计上读出。 　 4 其他形式 　　记忆测力计的另一种形式是制做成磁性记忆式。这种测力计的指针背面安装一小块磁铁，标尺屏换成儿童写字用的磁粉板。平时，指针转动时距离标尺屏有一段距离，不会在标尺屏上留下痕迹，当控制机构工作时，指针在瞬间向标尺屏方向靠一下，继而恢复原状。此时，指针上的磁铁就会在标尺屏上留下一道清晰的黑杠，这就记忆下了瞬时力的大小。同理，如果将指针背面的磁铁换成毛毡，滴上稍许墨水，就会在白色标尺