補償光電計時器時間的機械裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及的是一種時間補償裝置，光電計時器存在著計時時長和理論時長不一致的問題，主要原因是剩磁的原因，本發(fā)明為解決因剩磁造成時間滯后提供了一種新的技術(shù)方案。本發(fā)明的技術(shù)方案：光電計時器的時間補償裝置，包括電磁鐵，電磁鐵由鐵芯和鐵芯外部繞著的線圈構(gòu)成，其特征是：彈簧連接鐵芯，彈簧的下端連接一個板，板的下部有由電磁鐵吸引的重物，鐵芯下端的中心位置有開口，開口向鐵芯上端延伸，彈簧的上端連接在鐵芯開口的內(nèi)部，且在內(nèi)部的上端，鐵芯上端有一個具有內(nèi)絲的開口，還包括一個螺桿，彈簧連接在螺桿下端，彈簧長度為2cm，還包括輔助簧，輔助簧下端固定連接在板的上表面，輔助簧的上端處于自由狀態(tài)，輔助簧的長度為1cm。
【專利說明】補償光電計時器時間的機械裝置
[0001]本申請是申請日為2012年12月3日、申請?zhí)枮?012105058673、發(fā)明名稱為“一種光電計時器的時間補償裝置和方法”的專利申請的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種用于力學的教具，具體的說涉及的是一種用于自由落體計時器時間補償?shù)难b置。
【背景技術(shù)】
[0003]有關(guān)自由落體的實驗，測量時間的方法和裝置已經(jīng)非常先進，有一種比較普及而且比較精確的光電計時裝置是這樣的:用電磁鐵吸引一個重物，這個重物應(yīng)當是軟磁性材料(所謂軟磁性材料，是指:在磁場作用下，該材料具有磁性，磁場消失，該材料磁性也消失。比如:鐵)，斷開電磁鐵線圈電流的同時開始計時，重物通過下方的光電門(也叫做槽形光耦)時，被光電門感知到信號，通過外圍設(shè)備(或者稱為外圍電路)，可以獲得該過程(從斷開電磁鐵線圈到重物達到光電門)的時間，然后，就把這個時間作為重物運動的時間，外圍設(shè)備還可以顯示(輸出)這個時間。
[0004]并且，重物下落的距離是易于測量的，再利用運動學的公式，可以得到該過程的加速度。
[0005]事實上，某地區(qū)重力加速度的數(shù)值是容易在相關(guān)手冊上查找得到的，并且可以得到非常精確的重力加速度數(shù)值。
[0006]換句話說，重物下落的時間，是可以由力學公式，尤其是其中運動學的公式計算得到的，但是，下落時間的試驗值和理論值總是有誤差，有的誤差是有規(guī)律可循的。例如:
現(xiàn)代的電子技術(shù)可以把時間記錄的非常精確，以至于對運動稍有影響的因素都會被反映出來。電磁鐵斷電后的很短時間、很短距離內(nèi)，電磁鐵和重物之間仍然有吸引的作用，這個吸引包括電磁鐵剩磁對重物的吸引力，還包括重物的剩磁對電磁鐵鐵芯的吸引力，僅考慮該因素，該因素會導致重物實際下落的時間比理論時間稍長。這就導致利用該數(shù)據(jù)用來后續(xù)計算的誤差較大。
[0007]重物同時還受空氣阻力的作用，這種影響和很多因素有關(guān)，其中一個因素是重物的速度，速度越大，阻力就越大。但是，在下落的前30cm，空氣阻力的影響非常小，在下落I米以后的高度，速度增大，阻力的影響可以被光電計時器測量出來，但是，這種影響是力學教學中希望測得的，因為該數(shù)據(jù)對后續(xù)學習有比較重要的作用。
[0008]當時間可以被記錄的非常精確時，一點點的時間因素都要被充分考慮。
[0009]綜上，這種光電計時器存在著計時時長和理論時長不一致的問題，主要原因是電磁鐵和重物之間存在引力、重物受到空氣阻力?？諝庾枇υ斐傻挠绊懯墙虒W中希望被測量到的，電磁鐵和重物之間的引力則是干擾因素，該干擾因素是希望能夠被消除的因素。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]為了彌補現(xiàn)有裝置的不足，本發(fā)明提出一種光電計時器的時間補償裝置和方法，本發(fā)明可以補償光電計時器上因為剩磁造成的計時誤差，以使實驗更接近于理想狀態(tài)。
[0011]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種基于固定時差的光電計時器時間補償方法，其特征是:
第一步:獲得試驗地點的重力加速度數(shù)值，
第二步:理論計算重物從電磁鐵釋放，下落高度為hi應(yīng)該用時為t1; hi的數(shù)值優(yōu)選5cm---10cm，
第三步:實際測量重物從電磁鐵釋放，下落高度為h實際用時為t2，
第四步:計算出t2-ti的結(jié)果，將此結(jié)果作為因剩磁造成的影響時間，
第五步:基于第四步的計算結(jié)果，調(diào)整外圍電路，達到這樣的目的:測量重物從電磁鐵釋放，下落高度為h2的實際用時為t3,外圍電路顯示的時間為t4,且t4 = t3 - t2 + tp
[0012]為了補償光電計時器上剩磁造成的計時誤差，以致實驗更接近于理想狀態(tài)，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案還可以是:
一種光電計時器的 時間補償裝置，包括電磁鐵，電磁鐵由鐵芯和鐵芯外部繞著的線圈構(gòu)成，其特征是:彈簧的上端連接鐵芯，彈簧的下端連接一個軟磁性材料制成的板，板的下部有一個由電磁鐵吸引的軟磁性材料制成的重物。
[0013]為了更好的起到時間補償?shù)男Ч?，鐵芯下部的中心位置開口，并且開口向鐵芯上端延伸，彈黃連接在鐵芯開口的內(nèi)部，并且在內(nèi)部的上端。
[0014]為了進一步優(yōu)化時間補償?shù)男Ч?，鐵芯下部的中心位置開口，并且開口向鐵芯上端延伸，鐵芯上端還包括一個有內(nèi)絲的開口，鐵芯還包括一個與內(nèi)絲配套的螺桿旋轉(zhuǎn)在內(nèi)絲內(nèi)，彈簧連接在螺桿下端。
[0015]為了更好的起到補償?shù)男Ч?，彈簧長度(指彈簧豎直懸掛，除了自重，不施加其他重物情況下的長度)優(yōu)選為2cm，勁度系數(shù)(也稱為倔強系數(shù))約為100N/m，重物質(zhì)量約
0.03Kg。作為一個可調(diào)整的實驗教具，該教具對彈簧的勁度系數(shù)、長度都可以為一個約數(shù)，包括重物質(zhì)量也可以為約數(shù)，作為相關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】人員，可以知道“約”的含義。
[0016]一種光電計時器的時間補償方法，其特征是:
步驟一，獲得試驗地點的重力加速度數(shù)值，
步驟二:理論計算重物從電磁鐵釋放，下落高度為h3應(yīng)該用時為t5, h3的數(shù)值為IOcm以上。h3可以在IOcm---30cm之間。
[0017]步驟三:實際測量重物從電磁鐵釋放，下落高度為h3實際用時為t6，
步驟四:旋轉(zhuǎn)通過鐵芯上方內(nèi)絲的螺桿，調(diào)整螺桿的長度(等同于調(diào)整板距離鐵芯下部的距離)，再次測量重物從電磁鐵釋放至下落到高度為h3的實際時間，
步驟五:重復步驟三或/和步驟四，直至t6等于t5 (所述的等于，意思為:在偶然誤差被接受的范圍內(nèi)，t6等于t5)。h3的優(yōu)選高度為10cm。
[0018]本發(fā)明所述的裝置，利用的原理是:電磁鐵吸引彈簧下方的板，使得彈簧長度變短，電磁鐵斷電后，磁性消失了很多，彈簧長度變長，推動板向下運動，板推動重物下落。倘若僅考慮這一因素，該因素會導致重物下落時間比理論時間稍短，那是因為重物在下落過程中，不但受到重力，還受到板施加的推力，并且在剛開始下落時，速度比較低，空氣阻力的影響是可以被忽略的。倘若彈簧長度、勁度系數(shù)合適，就可以解決重物因為剩磁造成的下落時間和理論時間不一致的問題。
[0019]本發(fā)明考慮到剩磁造成的計時影響，并且克服了該影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4為本發(fā)明局部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖5為圖4的截面圖。
[0025]圖6為本發(fā)明局部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖7為本發(fā)明局部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖中:1-鐵芯，2-線圈，3-彈簧，4-板，5-重物，6-螺桿，7_輔助簧，8_環(huán)形槽?！揪唧w實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的設(shè)計和使用進一步說明。
[0029]參見附圖1，是本發(fā)明的一種設(shè)計，電磁鐵由鐵芯(I)和鐵芯(I)外部繞著的線圈
(2)構(gòu)成，彈簧(3)的上端連接鐵芯(1)，彈簧(3)的下端連接一個軟磁性材料制成的板(4)，板(4)的下部有一個由電磁鐵吸引的軟磁性材料制成的重物(5 )。重物(5 )可以是鐵球。彈簧(3)長度為2cm，考慮到板(4)有一定的質(zhì)量，選用勁度系數(shù)約為100N/m的彈簧(3)，重物
(5)質(zhì)量約0.03Kg，板的質(zhì)量約0.02Kg。
[0030]電磁鐵通電后，板(4)向上運動，且板(4)吸引重物(5)也向上運動，重物(5)向上運動，也可以說是電磁鐵吸引所致，斷電后，盡管有剩磁存在，但是，彈簧(3)釋放彈性勢能，推動板(4)向下運動，于是:剩磁導致重物(5)變慢，彈簧(3)導致重物(5)變快，當調(diào)節(jié)合適，就可以使剩磁造成的影響抵消。
[0031]板(4)也必須采用軟磁性材料制成，比如用鐵制成，板(4)在本發(fā)明中所起的作用是:讓鐵芯(I)吸引板(4)，板(4)也吸引重物(5 )，當板(4)的面積和鐵芯(I)下端形狀、尺寸一致或者基本一致時，吸引的作用會更好。
[0032]參看附圖2，是本發(fā)明的一種設(shè)計，制造彈簧(3)的材料，往往含有鐵，所以，為了更好的壓縮彈簧，并且，為了彈簧能有更大的壓縮量，鐵芯(I)下端的中心位置有一個開口，其特征是:開口向鐵芯(I)上端延伸，彈簧(3)的上端連接在鐵芯(I)開口的內(nèi)部，并且在內(nèi)部的上端。
[0033]這樣的設(shè)計，可以讓彈簧(3)壓縮量更大，推開板(4)和重物(5)可以有更大的力量。但是，這樣的設(shè)計存在一個缺點:重物(5)因為彈簧(3)而加快的時間是不易調(diào)節(jié)的，倘若加快的時間不等于因為剩磁而變慢的時間，就要重新更換彈簧(3)，或者做其他調(diào)整，這樣會比較麻煩。
[0034]參看附圖3，是本發(fā)明的一種設(shè)計，為使附圖3突出設(shè)計要點，鐵芯(I)外部的線圈(2 )在本圖中沒有畫出。鐵芯(I)上端有一個具有內(nèi)絲的開口，所謂內(nèi)絲，就是內(nèi)部有螺紋的意思，其特征是:鐵芯(I)還包括一個與內(nèi)絲配套的螺桿(6)旋轉(zhuǎn)在內(nèi)絲內(nèi)，彈簧(3)連接在螺桿(6)下端。這樣的設(shè)計，便于調(diào)節(jié)板(4)和鐵芯(I)下端的距離，便于調(diào)節(jié)彈簧(3)存儲的彈性勢能，歸根結(jié)底也就便于調(diào)節(jié)重物(5)為此加快的時間。該實施例中，彈簧(3)長度可以選擇為2cm，勁度系數(shù)約為ΙΟΟΝ/m，重物(5)質(zhì)量約0.03Kg。
[0035]用螺桿(6)的原因是:螺桿(6)旋轉(zhuǎn)很多圈，螺桿(6)在豎直方向的距離僅改變一點點，這樣有利于微調(diào)。
[0036]因為剩磁只對下落的初始階段有影響，尤其是前5cm的運動過程，所以，選擇5cm以后的高度來測量，就可以測量出剩磁造成的影響，但是，考慮到實驗對時間的測量非常精確，可以測量最初的IOcm,在最初的IOcm剩磁對下落造成的時間影響等于IOcm之后剩磁對下落造成的時間影響。所以，選擇超過IOcm的高度來測量該時間影響是有原因的。但是，該高度不宜超過50cm,因為,超過50cm,雖然剩磁造成的影響仍然等于IOcm時造成的影響，但是，50cm時空氣阻力造成的影響是可能被測量出來的。換句話說，超過50cm的高度，測到的理論時間和實際時間的差值，有可能是由剩磁和空氣阻力共同造成的，考慮到教學需要，該高度可以選取IOcm—30cm,因為，前30cm的下落過程，空氣阻力造成的影響是很難測量到的。
[0037]參看附圖4，是本發(fā)明的局部結(jié)構(gòu)示意圖。由力學知識可知:當彈簧的材料、粗細、內(nèi)外徑都一樣的情況下，彈簧越長，勁度系數(shù)越小，本發(fā)明中，彈簧(3)的長度比較長，有時候會導致彈力不足夠大，為了增大彈力，還可以設(shè)置另外一個彈簧，該彈簧被命名為:輔助簧(7)，輔助簧(7)下端固定連接在板(4)的上表面，輔助簧(7)的上端不與鐵芯(I)連接，在本發(fā)明中，輔助簧(7)上端不與鐵芯(I)連接的這種方式被命名為:自由狀態(tài)。當電磁鐵通電時，板(4)向上運動，然后，輔助簧(7)的上端和鐵芯(I)的下端接觸，輔助簧(7)變短，于是輔助簧(7)可以在斷電后，給板(4)施加向下的彈力。通過本段的表述，可以知道輔助簧(7)的作用是增加彈力。輔助簧的長度優(yōu)選1cm，勁度系數(shù)(也稱為倔強系數(shù))約為200N/m0
[0038]輔助簧(7)下端固定連接在板(4)的上表面，輔助簧(7)的上端處于自由狀態(tài)。輔助簧(7)的半徑大于彈簧(3)的半徑，這樣的設(shè)計，更有利于彈開板(4)。
[0039]附圖5是附圖4的截面圖，是為了更好的說明輔助簧(7)、彈簧(3)、板(4)的結(jié)構(gòu)，因為本發(fā)明需要讓輔助簧(7)有更大的面積，而且，鐵芯(I)的開口在中間軸線位置，所以，彈簧(3)在輔助簧(7)的內(nèi)部。
[0040]因為輔助簧(7)有更大的面積，所以輔助簧(7)還具有這樣的技術(shù)效果:輔助簧
(7)在讓電磁鐵斷電后，可以對板(4)的運動起到更好的約束作用，使板(4)僅在豎直方向運動。倘若沒有輔助簧(7)，電磁鐵斷電后，有時候板(4)的運動軌跡是混亂的，導致重物
(5)不能從光電門中穿過，從而造成不能計時的缺陷。試驗表明，輔助簧(7)的確可以起到這樣的效果。
[0041]參看附圖6，是本發(fā)明鐵芯(I)的結(jié)構(gòu)示意圖，是鐵芯的進一步設(shè)計，鐵芯(I)下方有一個環(huán)形槽(8)，輔助簧(7)的上部置入環(huán)形槽(8)，且環(huán)形槽(8)的側(cè)壁不和輔助簧(7)擠壓。
[0042]為了進一步優(yōu)化，鐵芯(I)下端有一個環(huán)形槽(8 )，該環(huán)形槽(8 )可以讓輔助簧(7 )的上部置入其中，且環(huán)形槽(8)的側(cè)壁不和輔助簧(7)擠壓。該環(huán)形槽(8)起到的效果是:進一步約束板(4)的運動。具有環(huán)形槽(8 )的鐵芯(I)，在電磁鐵斷電時，會讓輔助簧(7 )更好的彈開板(4)，這里說的更好，是指:板(4)不亂擺；板(4)的運動，非常精確的在豎直線上。
[0043]參看附圖7，是本發(fā)明鐵芯(I)的結(jié)構(gòu)示意圖，當鐵芯(I)下端的中心位置有一個開口時，環(huán)形槽(8)所在的圓內(nèi)，有鐵芯(I)開口所在的圓。
[0044]輔助簧(7)和環(huán)形槽(8)組合使用還具有這樣的效果:在移動光電計時裝置時，輔助簧(7)和環(huán)形槽(8)可以有效控制板(4)不亂甩，板(4)亂甩，可能會導致彈簧(3)損壞，所以，輔助簧(7)和環(huán)形槽(8)的組合利于運輸和搬動光電計時裝置時保護彈簧(3)。
[0045]當采用附圖3所示設(shè)計時，可以按照如下方法補償剩磁造成的重物(5)下落延后的問題，其特征是:
步驟一，獲得試驗地點的重力加速度數(shù)值，
步驟二:理論計算重物(5)從電磁鐵釋放，下落高度為h3應(yīng)該用時為t5，且h3在
IOcm---30cm 之間，
步驟三:實際測量重物(5)從電磁鐵釋放，下落高度為h3實際用時為t6，
步驟四:旋轉(zhuǎn)通過鐵芯(I)上端內(nèi)絲的螺桿(6)，調(diào)整螺桿(6)的長度，再次測量重物
(5)從電磁鐵釋放至下落到高度為h3的實際時間，
步驟五:重復步驟 三或/和步驟四，直至t6等于t5。
[0046]也可以利用外圍電路，直接補償因剩磁造成的時間差；也可以利用本發(fā)明所述裝置，再結(jié)合外圍電路，直接補償因剩磁造成的時間差，其特征是:
第一步:獲得試驗地點的重力加速度數(shù)值，
第二步:理論計算重物從電磁鐵釋放，下落高度為Ii1應(yīng)該用時為t1; hi的數(shù)值為5 cm---10cm,
第三步:實際測量重物從電磁鐵釋放，下落高度為h實際用時為t2，
第四步:計算出t2-ti的結(jié)果，將此結(jié)果作為因剩磁造成的影響時間，
第五步:基于第四步的計算結(jié)果，調(diào)整外圍電路，達到這樣的目的:測量重物從電磁鐵釋放，下落高度為h2的實際用時為t3,外圍電路顯示的時間為t4,且t4 = t3 - t2 + tp
[0047]該方法能實現(xiàn)時間補償?shù)脑蛟谟?剩磁在空間上造成的、可測量出的影響范圍約為5cm，即使光電計時已經(jīng)非常靈敏，超過IOcm的距離，重物(5)和鐵芯(I)之間的電磁力就是可以忽略的了。換句話說，只要下落高度超過10cm，就可以認為因為剩磁造成的時間差總是既然這個時間差是固定的，那就可以基于該固定的時差，讓實際測量的時間總減去該時差，作為顯示的結(jié)果。教學中要演示的下落高度，往往是超過IOcm的，所以，在本方法中，hi的數(shù)值為5cm---10cm。
[0048]地球表面的重力加速度和緯度有關(guān)系，但是，即使緯度變化比較大，重力加速度變化也不大，所以，所述的“試驗地點”，應(yīng)該理解為相同或者相近緯度的地區(qū)，究竟緯度相差多少才能叫做相近，這取決于試驗對精確程度的要求。
[0049]本發(fā)明為解決自由落體運動中，剩磁造成時間滯后提供了一種新的技術(shù)方案。
【權(quán)利要求】
1.補償光電計時器時間的機械裝置，包括電磁鐵，電磁鐵由鐵芯(I)和鐵芯(I)外部繞著的線圈(2)構(gòu)成，其特征是:彈簧(3)的上端連接鐵芯(1)，彈簧(3)的下端連接一個軟磁性材料制成的板(4)，板(4)的下部有一個由電磁鐵吸引的軟磁性材料制成的重物(5 )， 且:鐵芯(I)下端的中心位置有一個開口，開口向鐵芯(I)上端延伸，彈簧(3)的上端連接在鐵芯(I)開口的內(nèi)部，并且在內(nèi)部的上端， 且:鐵芯(I)上端有一個具有內(nèi)絲的開口，還包括一個與內(nèi)絲配套的螺桿(6 )旋轉(zhuǎn)在內(nèi)絲內(nèi)，彈簧(3 )連接在螺桿(6 )下端， 且:彈簧(3)長度為2cm，勁度系數(shù)約為ΙΟΟΝ/m，重物(5)質(zhì)量約0.03Kg, 且:還包括輔助簧(7)，輔助簧(7)下端固定連接在板(4)的上表面，輔助簧(7)的上端處于自由狀態(tài)， 且:輔助簧(7)的長度為1cm。
【文檔編號】G09B23/10GK103985292SQ201410254755
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月3日
【發(fā)明者】陳廷 申請人:曾飛