專利名稱：彈簧振子振動圖像描繪器的制作方法
技術領域：
本發明涉及教學實驗儀器，尤其涉及一種彈簧振子振動圖像描繪器。
背景技術：
在中學物理教學中，以彈簧振子作模型，描繪出彈簧振子的振動曲線，根據振動曲線來研究簡諧振動的規律、演示彈簧振子運動現象和驗證其周期公式等。最初的測繪振動曲線的方法為使彈簧振子振動起來，同時實驗教師通過手動方式使記錄紙前進，通過記錄筆在記錄紙上繪出振動曲線。以上描繪振動曲線的方法存在以下不足人工牽引記錄紙前進、不但費力，而且記錄紙的前進速度不穩定，致使所描繪出的曲線的準確性差；實驗操作煩瑣，現有的彈簧振子，還需要另外配備與之相適應的氣源、連接氣管、接口等，測量振子的振動周期還需使用計時器(如秒表等)。在中國專利號為ZL2004200797650、授權公告日為2005年10月19日、名稱為“彈簧振子簡諧振動實驗儀”的專利文獻中設計出了一種可以克服上述問題的振動圖像描繪儀器。該專利中的描繪器包括底座、進紙裝置和彈簧振子裝置；進紙裝置包括設置于底座上的進紙軸承、進紙軸、驅動進紙軸用的電機和設置在進紙軸上的同進紙軸承相配套的驅紙膠輪；彈簧振子裝置包括氣墊導軌、彈簧、振子球和氣泵，彈簧一端連接在氣墊導軌左端的支柱上、另一端連接在氣墊導軌上的滑塊上，振子球固定在滑塊上，記錄筆旋固于振子球下部，氣泵同氣墊導軌連接。使用時，使記錄紙從氣墊導軌的下方穿過后再穿設在驅紙膠輪和進紙軸承之間，馬達驅動進紙軸勻速轉動，進紙軸驅動進紙膠輪轉動，進紙膠輪通過摩擦力帶動記錄紙前進，彈簧振子產生振動的過程中帶動記錄筆同步運動，記錄筆在記錄紙上畫出振動曲線。該專利雖然通過設計氣泵和以電機進行驅動的進紙裝置解決了上述描繪振動曲線的方法過程中所存在的不足。但是該專利還存在以下不足用于描繪圖像的過程中，記錄筆同記錄紙之間有接觸，記錄筆在記錄紙上運動的過程中會產生阻力，該阻力會造成記錄紙前行不平穩和影響彈簧振子的振動，導致所繪出的曲線不能準確反應出彈簧振子的振動情況，即圖像的準確性差；計算振子從一點運行到另一點所耗用的時間(以T表示)時，只能首先測出兩點之間沿走紙方向的距離(以S表示)，然后根據電機的轉速及走紙膠輪的直徑推算出走紙膠輪的最外周的線速度(該線速度即為記錄紙的前進速度，以V表示)，根據公式 T=S/v，計算出時間T，但是在測量S時，線條的粗細不同及不同的人讀數的差異，導致隨機誤差較大，另外在使用過程中，進紙膠輪會產生磨損導致直徑改變，從而使得V存在較大的偏差；故通過該振動曲線不能準確地驗證相關的物理理論如彈簧振動周期同振子的質量及彈性系數之間的關系。
發明內容
本發明提供了一種能準確地描繪出彈簧振子的振動曲線且能方便準確地獲得彈簧振子從一個位置運行到另一個位置時所耗用的時長的彈簧振子振動圖像描繪器，解決了現有的實驗儀器不能準確地描繪出彈簧振子的振動曲線且不能方便準確地獲得彈簧振子從一個位置運行到另一個位置所耗用的時長、導致不能通過實驗所得的振動曲線去準確驗證相關的物理理論的問題。以上技術問題是通過下列技術方案解決的一種彈簧振子振動圖像描繪器，包括機架，氣泵，設置在機架上的走紙裝置和彈簧振子裝置，所述彈簧振子裝置包括氣墊導軌、 位于氣墊導軌上的振子滑塊和驅動振子滑塊振動的振子彈簧，所述氣墊導軌通過所述氣泵供氣，其特征在于，還包括電火花激發熱敏紙裝置和紙筒支撐架，所述電火花激發熱敏紙裝置包括高壓脈沖裝置、放電針和電極板，所述放電針和電極板同所述高壓脈沖裝置電連接在一起，所述放電針固接在所述振子滑塊上，所述電極板同所述機架相固接。使用時，將本發明放置在實驗臺上且盡量使氣墊導軌保持水平，熱敏紙筒固定在紙筒支撐架上，熱敏紙先從電極板和放電針之間穿過，然后引入到走紙裝置上，啟動氣泵給氣墊導軌供氣，當振子滑塊從氣墊導軌上浮起后，沿著氣墊導軌的軸向使振子滑動位移一段距離，釋放振子滑塊， 在振子彈簧的作用下，振子滑塊在氣墊導軌上方作往復運動即振動，當振子滑塊振動平穩后，啟動走紙裝置和高壓脈沖裝置，走紙裝置牽引熱敏紙作勻速運動，加在電極板和放電針上的由高壓脈沖裝置所產生的高壓脈沖電擊穿空氣間隙和熱敏紙放電而產生電火花，電火花所釋放出的熱量使得從電極板和放電針間勻速通過的熱敏紙對齊放電針的部位受熱而變色，在熱敏紙上產生清晰的黑色色斑，這些色斑記錄下的就是振子滑塊的運動軌跡。熱敏紙行進過程中不與放電針接觸。作為優選，所述機架上設有電極板槽，所述電極板容置并固接在所述極板槽內。使用時熱敏紙從電極板槽上繞過，隔離在放電針和電極板之間，熱敏紙前行的過程中只會同電極板槽接觸而不與電極板和放電針接觸，放電時產生的熱量能及時散失掉，有利于電極保持較好的“冷極”狀態，以延長電極的使用壽命。電極板容置在電極板槽內，對電極板有保護作用，電極板表面不易積塵而影響放電性能。作為優選，本發明包括用于調節所述電極板與所述放電針之間的距離的雙頭螺紋桿，所述導向桿通過所述雙頭螺紋桿同所述機架連接。通過轉動雙頭螺紋桿而改變導向桿的位置，導向桿帶動電極板一起運動，使得電極板同放電針之間的距離產生改變。通過改變電極板和放電針之間的距離，使熱敏紙上的黑點的大小產生改變，以調節描繪出的圖像的清晰度。作為優選，本發明包括刃部朝下的裁紙刀條。使用時通過向上拉熱敏紙，刀條的刃部將熱敏紙切斷。提高了使用時的方便性。作為優選，所述機架上設有兩個刀條安裝槽，所述裁紙刀條的兩端擱置在所述兩個刀條安裝槽內，所述裁紙刀條的兩端設有插槽，所述刀條安裝槽內設有插銷，所述插銷插在所述插槽內。將裁紙刀條固定到機架的過程為先將裁紙刀條的兩端擱置在刀條安裝槽內，然后將插銷存在插槽內即可。安裝裁紙刀條時方便。作為優選，所述插銷穿設在所述刀條安裝槽的槽壁上，所述插銷上設有復位彈簧， 所述插銷的朝向所述裁紙刀條的一端的端面同側面之間設有倒角。取下裁紙刀條的方法為朝遠離裁紙刀條的方向按壓插銷使插銷向機架內收縮，當倒角位于裁紙刀條的端部上時，朝刀條安裝槽的槽口方向移動裁紙刀條，此時裁紙刀條能夠將自動將插銷擠壓開，當裁紙刀條取出后，在復位彈簧的作用下，插銷自動復位。拆卸裁紙刀條時輕松省力方便。作為優選，本發明包括位于電極板進紙側的吸風管，所述吸風管的側壁上設有沿吸附管軸向延伸的進風縫隙，所述氣泵的進氣端同所述吸風管相連通。當啟動氣泵給氣墊導軌供氣時，氣泵同時對吸風管內部進行抽氣，走紙裝置牽引熱敏紙行走的過程中，熱敏紙位于進風縫隙的前方，吸風管將熱敏紙吸附住，熱敏紙處于張緊狀態，熱敏紙經過放電針時的速度保持恒定，描繪出的圖像的準確性好。作為優選，所述吸風管內設有風口長度調節板。使用時通過沿吸風管的軸向移動風口長度調節板的位置，來改變進風縫隙的有風進入部位的長度，使該長度同熱敏紙的紙幅相匹配，使吸風管能將不同紙幅的熱敏紙吸附住，提高了通用性和適應性。作為優選，本發明包括振子彈簧長度分割機構，所述振子彈簧長度分割機構包括設有插孔的底座和可拔插地插接在底座的插孔內的叉頭。使用時，使叉頭卡在振子彈簧上并插接在底座上，來改振子彈簧能夠作用于振子滑塊的長度，也即改變彈簧的彈性系數。以實現只要一根已知彈性系數的彈簧就能方便地通過所描繪出的圖像來分析振動周期隨彈性系數進行改變的函數關系。作為優選，所述機架上設有沿氣墊導軌軸向延伸的滑軌，所述底座上設有同所述滑軌相配套的滑槽，所述底座通過所述滑槽配合所述滑軌連接在所述機架上，所述底座上還設有鎖緊螺釘。能方便地通過沿著滑軌移動底座的位置來選取所需的彈性系數。當底座移動到所需的位置后通過鎖緊螺釘來將底座固定在機架上。本發明具有下述優點，通過高壓放電的方式來非接觸地描繪出振動圖像，因此繪圖動作不會對彈簧振子的振動造成干擾，故描繪出的圖像的準確性高；由于電火花激發熱敏紙裝置中的高壓脈沖裝置所產生的脈沖是已知的，通過振動圖像一個周期內的色點的個數就可以得知彈簧振子的振動周期，因此通過本發明所描繪出的圖像能夠準確地驗證相關的物理理論如彈簧振動周期同振子的質量及彈性系數之間的關系，實驗性強；使用過程中是通過電火花直接激發熱敏紙而產生色點，色點不會產生顏色深淺的變化，繪圖時方便實用簡單。
圖1為本發明實施例一的立體結構示意圖。圖2為圖1的A— A截面示意圖。圖3為圖1的B處的局部放大示意圖。圖4為圖3的C一C截面示意圖。圖5為本發明的電火花激發熱敏紙裝置的電路框圖。圖6為實施例一的使用狀態示意圖。圖7為本發明實施例二的A—A截面示意圖。圖8為圖6中的E處的放大示意圖。圖9為圖7的F— F截面示意圖。圖10為實施例二的使用狀態示意圖。圖11為本發明實施例三的彈簧振子裝置的分體狀態示意圖。圖中機架1，電極板槽11，氣源開關12，圖像掃描開關13，刀條安裝槽14，插銷15，倒角151，復位彈簧16，滑軌17，走紙裝置2，進紙輥21，電機22，彈簧振子裝置3，氣墊導軌31，振子彈簧32，振子滑塊33，氣泵34，電火花激發熱敏紙裝置4，放電針41，電極板42， 高壓脈沖裝置43，開關電路431，升壓電路432，紙筒支撐架5，裁紙刀條6，插槽61，臺階面 611，熱敏紙卷7，熱敏紙71，雙頭螺紋桿8，吸風管9，出風口 91，風口長度調節板92，手柄 93，進風縫隙94，振子彈簧長度分割機構10，底座101，叉頭102，插孔103，鎖緊螺釘104。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。實施例一，參見圖1，一種彈簧振子振動圖像描繪器，包括機架1，走紙裝置2和彈簧振子裝置3和紙筒支撐架5。機架1上設有裁紙刀條6。裁紙刀條6位于走紙裝置2的左側即出紙側。走紙裝置2包括兩根進紙輥21和驅動進紙輥21的電機22。進紙輥21的前后兩端轉動連接在機架1上。電機22位于機架1的內部。電機22用于驅動進紙輥21轉動。彈簧振子裝置3包括氣墊導軌31、振子彈簧32和位于氣墊導軌31上的振子滑塊 33。振子彈簧32的前端固接在機架1上，振子彈簧32的后端同振子滑塊33固接在一起。紙筒支撐架5為桿狀結構。紙筒支撐架5的前后兩端轉動連接在機架1上。熱敏紙卷7套設在紙筒支撐架5上。機架1上設有電極板槽11。導向桿11的前后兩端固接在機架1上。導向桿11位于紙筒支撐架5的下方。在振子滑塊33上設有放電針41。在機架1的前端右側部位設有一個氣源開關12和一個圖像掃描開關13。電機22的啟動與停止通過圖像掃描開關13進行控制。參見圖2，極板板槽11內容納并固接有電極板42。放電針41朝向電極板42。在機架1內安裝有高壓脈沖裝置43。放電針41、電極板42和高壓脈沖裝置43三者構成電火花激發熱敏紙裝置4。高壓脈沖裝置43的工作與停止通過圖像掃描開關13 (參見圖1)控制。機架1內安裝有氣泵34。氣泵34的啟動與停止通過氣源開關12 (參見圖1)控制。氣泵34用于給氣墊導軌31供氣。參見圖3，裁紙刀條6的刃部是朝下的。裁紙刀條6的上側面的兩端設有插槽61， 位于裁紙刀條兩端的插槽61沿裁紙刀條的軸向貫通為一體。插槽61內設有臺階面611。機架1上設有兩個刀條安裝槽14，兩個刀條安裝槽14對向設置在機架1的前后側上。刀條安裝槽14的開口朝上。刀條安裝槽14內設有插銷15。插銷15的朝向裁紙刀條6的一端的端面同插銷的側面之間設有倒角151。裁紙刀條6的前后兩端各擱置在一個刀條安裝槽14內。插銷15插在插槽61內。 倒角151抵接在臺階面611上。參見圖4，機架1的前后壁都為殼狀結構。插銷15穿設在刀條安裝槽14的槽壁上。插銷14的內端上設有復位彈簧16。
將裁紙刀條6從機架1上取下的方法為沿裁紙刀條6的軸向向遠離裁紙刀條6 的方向擠壓插銷15，使插銷15向機架1的內部收縮，當倒角151位于裁紙刀條6的端部上時，向上提起裁紙刀條6，此時裁紙刀條6即能夠將自動將插銷15擠壓開，當裁紙刀條6取出后，在復位彈簧16的作用下，插銷15自動從機架1內伸出即復位。安裝裁紙刀條6的方法同拆卸的方法類似，在此不再作說明。參見圖5，高壓脈沖裝置43包括開關電路431和升壓電路432。放電針41同升壓電路431的兩個輸出端子中的正極電連接在一起。電極板42同升壓電路431的兩個輸出端子中的負極電連接在一起。參見圖6、參見圖5和圖1，本發明的使用方法為使熱敏紙卷7套設在紙筒支撐架 5上，熱敏紙71先從導向桿11的下方穿過，然后進入兩根進紙輥21之間，通過氣源開關12 啟動氣泵34工作，氣泵34所產生的氣體輸送給氣墊導軌31后將振子滑塊33浮起，使振子滑塊33沿氣墊導軌31的軸向向后移動一段距離后釋放，在振子彈簧32的作用下，振子滑塊33產生振動，當振子滑塊33的振動平穩后，通過圖像掃描開關13啟動電機22和高壓脈沖發生器43工作，進紙輥21按照圖中的D方向轉動，進紙輥21帶動熱敏紙71向左前行， 同時放電針41放電并在熱敏紙上產生黑色色點，色點構成的曲線即為振子滑塊33的振動軌跡線，然后先通過圖像掃描開關13停止電機22和高壓脈沖發生器43，再通過氣源開關 12停止氣泵34，最后用手拉住熱敏紙71的左端，使熱敏紙71上有圖像的部分全部伸出進紙輥21的左側后，上拉熱敏紙71，當熱敏紙71觸碰到裁紙刀條6的刃部時會迎刃而斷，且切口整齊。實施例二，參見圖7，同實施例一的不同之處為電極板槽11的兩端各通過一根雙頭螺紋桿8同機架1進行連接。通過轉動雙頭螺紋桿8來調節導向桿11的高度，使放電針 41距離電極板42的距離發生改變，以調節放電時在熱敏紙上形成的色點的大小，來提高所描繪出的振動曲線的清晰度以降低讀數誤差。在電極板槽11的右側即進紙側設有吸風管9。吸風管9上設有出風口 91。出風口 91通過管子同氣泵34的進氣端連接在一起。進氣管在圖中沒有畫出。參見圖8，吸風管9的側壁上設有進風縫隙94。進風縫隙94位于吸風管的下側面上。吸風管9內設有風口長度調節板92。風口長度調節板92設有手柄93。手柄93經進風縫隙94伸出吸風管9的外部。參見圖9，出風口 91設置在吸風管9的中間位置。進風縫隙94沿吸附管9的軸向延伸。風口長度調節板92有兩塊。參見圖10與圖9，使用時使熱敏紙71依次穿過吸風管9和電極板槽11的下方， 然后進入兩根進紙輥21之間，再根據熱敏紙71的寬度來調節兩塊風口長度調節板92的位置，使兩塊風口長度調節板92夾在熱敏紙71的兩側。當氣泵34啟動后，吸風管9會將熱敏紙71吸附住，進紙輥21牽引熱敏紙71前行的過程中，熱敏紙71處于吸風管8與進紙輥 21之間的部分始終處于張緊狀態，保證了經過放電針41上方的熱敏紙71為勻速前進。如果沒有吸風管9，則由于慣性等原因，熱敏紙卷7散開的即時線速度不一定等于進紙輥21的即時線速度(尤其是剛開始進紙時)，導致描繪出的圖像的準確性差。實施例三，參見圖11，圖中放電針41沒有畫出，同實施例二的不同之處為還設有振子彈簧長度分割機構10。振子彈簧長度分割機構10包括底座101和叉頭102。底座101上設有插孔103。機架1上設有兩根滑軌17。滑軌17沿氣墊導軌31的軸向延伸。兩根滑軌17位于氣墊導軌31的兩側。底座101跨在氣墊導軌31上。底座101的兩端都設有同滑軌17 相配套的滑槽，底座101通過該滑槽配合滑軌17同機架1連接在一起。底座101上還設有鎖緊螺釘104。下面以將振子彈簧32分為相等的兩段來說明驗證彈性系數的方法松開鎖緊螺釘104，沿著滑軌17移動底座101到位于振子彈簧31的正中間位置的下方，鎖緊鎖緊螺釘 104，用插頭102叉在振子彈簧32的正中間位置后并使插頭插接在插孔103內，使得振子彈簧32只能以一半的長度進行振動(整根振子彈簧相當于兩個半跟彈簧串聯在一起，也即兩根彈性系數相同的彈簧串聯在一起)。通過比較通過整根振子彈簧振動的周期和通過半跟振子彈簧進行振動的周期即能得出彈簧進行串聯連接時的彈性系數的關系。改變底座的位置來改變彈簧長度的分配，以驗證彈簧串聯時彈性系數的關系式是否對。
權利要求
1.一種彈簧振子振動圖像描繪器，包括機架，氣泵，設置在機架上的走紙裝置和彈簧振子裝置，所述彈簧振子裝置包括氣墊導軌、位于氣墊導軌上的振子滑塊和驅動振子滑塊振動的振子彈簧，所述氣墊導軌通過所述氣泵供氣，其特征在于，還包括電火花激發熱敏紙裝置和紙筒支撐架，所述電火花激發熱敏紙裝置包括高壓脈沖裝置、放電針和電極板，所述放電針和電極板同所述高壓脈沖裝置電連接在一起，所述放電針固接在所述振子滑塊上，所述電極板同所述機架相固接。
2.根據權利要求1所述的彈簧振子振動圖像描繪器，其特征在于，所述機架上設有電極板槽，所述電極板容置并固接在所述極板槽內。
3.根據權利要求2所述的彈簧振子振動圖像描繪器，其特征在于，包括用于調節所述電極板與所述放電針之間的距離的雙頭螺紋桿，所述導向桿通過所述雙頭螺紋桿同所述機架連接。
4.根據權利要求1或2或3所述的彈簧振子振動圖像描繪器，其特征在于，包括刃部朝下的裁紙刀條。
5.根據權利要求4所述的彈簧振子振動圖像描繪器，其特征在于，所述機架上設有兩個刀條安裝槽，所述裁紙刀條的兩端擱置在所述兩個刀條安裝槽內，所述裁紙刀條的兩端設有插槽，所述刀條安裝槽內設有插銷，所述插銷插在所述插槽內。
6.根據權利要求5所述的彈簧振子振動圖像描繪器，其特征在于，所述插銷穿設在所述刀條安裝槽的槽壁上，所述插銷上設有復位彈簧，所述插銷的朝向所述裁紙刀條的一端的端面同側面之間設有倒角。
7.根據權利要求1或2或3所述的彈簧振子振動圖像描繪器，其特征在于，包括位于電極板進紙側的吸風管，所述吸風管的側壁上設有沿吸附管軸向延伸的進風縫隙，所述氣泵的進氣端同所述吸風管相連通。
8.根據權利要求7所述的彈簧振子振動圖像描繪器，其特征在于，所述吸風管內設有風口長度調節板。
9.根據權利要求1或2或3所述的彈簧振子振動圖像描繪器，其特征在于，包括振子彈簧長度分割機構，所述振子彈簧長度分割機構包括設有插孔的底座和可拔插地插接在底座的插孔內的叉頭。
10.根據權利要求9述的彈簧振子振動圖像描繪器，其特征在于，所述機架上設有沿氣墊導軌軸向延伸的滑軌，所述底座上設有同所述滑軌相配套的滑槽，所述底座通過所述滑槽配合所述滑軌連接在所述機架上，所述底座上還設有鎖緊螺釘。
全文摘要
本發明涉及教學實驗儀器。一種彈簧振子振動圖像描繪器，包括機架，氣泵，設置在機架上的走紙裝置和彈簧振子裝置，高壓脈沖裝置以及紙筒支撐架；彈簧振子裝置包括氣墊導軌、振子滑塊和振子彈簧，氣墊導軌通過氣泵供氣，電火花激發熱敏紙裝置包括高壓脈沖裝置、放電針和電極板，放電針固接在振子滑塊上，電極板同機架相固接。本發明能夠準確地描繪出彈簧振子的振動曲線且能方便準確地獲得彈簧振子從一個位置運行到另一個位置時所耗用的時長，解決了現有的實驗儀器所繪出的振動曲線準確性差且不能方便準確地獲得彈簧振子從一個位置運行到另一個位置所耗用的時長的問題。
文檔編號G09B23/10GK102456285SQ201110364290
公開日2012年5月16日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者汪仁華, 趙齊浩 申請人:浙江向陽花教學器材有限公司