以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置

1.本发明涉及实验仪器技术领域，具体而言是构建一种基于平方反比率作用力的机械振动实验装置，也即一种新型的磁性机械振子，其振动为简谐振动。


背景技术：

2.目前力学中常见的简谐振动实验装置，例如弹簧振子，单摆，复摆，倒摆等等，都是在与位移成正比的恢复力，或者与角位移成正比的恢复力矩作用下的简谐振动实验装置。产生简谐振动的原因是恢复力都是大小与位移成正比的保守力。这些简谐振动的频率与弹簧或卷簧的倔强系数，摆的质量或转动惯量，摆长，以及重力加速度有关。
3.根据力学理论，向心力也是保守力，向心力的大小与作用距离不成正比，因此其导致的振动问题可能与上述振动很不相同。不过，关于向心力作用下的振动问题，在大中专院校的物理课的力学部分却没有介绍。目前常见的三种向心力是万有引力，电荷间的库仑力，以及磁铁间的磁性库仑力，这三种作用力都是服从平方反比律。利用万有引力作为恢复力构建的机械振动装置非常少见。利用电荷间的库仑力作为恢复力构建的机械振动装置也非常少见，并且应用时存在放电的问题，有一定的危险性。目前未见利用磁性库仑力作为恢复力构建的机械振动装置。本专利就是一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，其可以用于展示说明平方反比律作用力作用下的机械振动，这种振动也是一种简谐振动，与磁铁的质量，磁感应强度，磁铁之间的距离有关。


技术实现要素：

4.针对以上背景介绍，本发明设计了一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，既可以用于展示说明平方反比律作用力作用下的机械振动，又可以作为一种简谐振动，开展与磁铁的质量，磁感应强度，磁铁之间的距离有关的相关实验。
5.为了实现上述功能，本发明采用以下技术方案：
6.一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，包括底座(1)，底座上设有支架，其特征在于：设有导轨(2)、左端固定磁铁（3）、右端固定磁铁（4）、中间可动磁铁(5)、左端固定支撑台（6）和右端固定支撑台（7），其中，导轨（2）左、右两端经支架固定在底座（1）上，导轨从左到右依次设有左端磁铁（3）、中间磁铁（5）和右端磁铁（4），所述左端磁铁（3）、右端磁铁（4）与导轨固定连接，中间磁铁（5）套在导轨上，左端磁铁（3）的右端磁性与中间磁铁（5）的左端磁性相同，右端磁铁（4）的左端磁性与中间磁铁（5）的右端磁性相同，中间磁铁（5）在偏离初始平衡位置后，可在磁铁之间的磁力作用下沿导轨往复运动，形成简谐振动。
7.所述支架包括，左端固定支撑台（6）和右端固定支撑台（7），左端固定支撑台（6）和右端固定支撑台（7）整体安装在底座(1)上。
8.作为本发明进一步的方案，导轨(2)上套有左端磁铁（3）、右端磁铁（4）以及中间可动磁铁(5) ，左端磁铁（3）、右端磁铁（4）以及中间磁铁(5) 三者共轴。
9.作为本发明进一步的方案，中间可动磁铁（5）在偏离初始平衡位置后，可在磁铁之
间的磁力作用下沿导轨往复运动，形成简谐振动。
10.作为本发明进一步的方案，中间磁铁（5）底部设有光电门，在简谐振动现象持续的同时测得磁性振子的振动频率。
11.作为本发明进一步的方案，可以在中间磁铁（5）的端面设有激光测距式传感器，采集振动波形的数据，连接至示波器以显示其振动波形图，也可以连接至计算机上以显示其振动波形图，以验证实验规律。
12.作为本发明进一步的方案，所述导轨为圆柱形导杆。
13.作为本发明进一步的方案，所述导轨为气垫导轨，以减小中间磁铁振动时的摩擦力。
14.作为本发明进一步的方案，底座前侧面贴有刻度标尺，底座有防滑材料便于固定装置。
15.作为本发明进一步的方案，可以用气垫导轨代替圆柱形导轨，以减小中间磁铁振动时的摩擦力。
16.既可以用于展示说明平方反比律作用力作用下的机械振动，又可以作为一种简谐振动，开展与磁铁的质量，磁感应强度，磁铁之间的距离有关的相关实验。
附图说明
17.图1为发明的结构示意图。
18.图2为本发明的的主视图。
19.图3为图2的左视图。
20.图4为图2俯视图。
21.附图标记：底座(1)、塑料导轨(2)、左端固定磁铁（3）、右端固定磁铁（4）、中心可动磁铁(5)、左端固定支撑台（6）、右端固定支撑台（7）。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
23.参见图1～图4，一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，包括底座(1)、导轨(2)、左端固定磁铁（3）、右端固定磁铁（4）、中间可动磁铁(5)、左端固定支撑台（6）、右端固定支撑台（7）。
24.所述左端固定磁铁（3），右端固定磁铁（4），以及中间可动磁铁（5）都为中空磁铁，以便于同轴贯穿在导轨(2)上，杆的直径略小于磁铁中空部分的直径，以保证中间可动磁铁（5）可以沿着导轨的轴向自由滑动。左端固定磁铁（3）固定在导轨（2）的左端，右端固定磁铁（4）固定在导轨（2）的右端。左端固定磁铁（3）的右端的磁性与中间可动磁铁（5）的左端的磁性相同，右端固定磁铁（4）的左端的磁性与中间可动磁铁（5）的右端的磁性相同。导轨（2）左右端分别安装固定在底座的左端固定支撑台（6）和右端固定支撑台（7）上。
25.在本发明实施例中，优选的，左端固定磁铁（3）、右端固定磁铁（4）、中间可动磁铁(5)为参数相同的圆筒形高强度磁力铷，三层电镀稀土强磁。可以将左端固定磁铁（3）和右端固定磁铁（4）设置为一样的磁铁，中间可动磁铁（5）的磁性强于左右两端磁铁，也可以弱于左右两端磁铁。
26.实验装置工作步骤： 将装置底座（1）固定在稳定平台后，拨动中间可动磁铁（5）使其偏离中心平衡位置之后迅速放手，则中间可动磁铁（5）开始做简谐振动，此时外接传感器即可检测实验数据，以验证装置原理理论。
27.实验装置技术原理：当左端固定磁铁（3）和右端固定磁铁（4）相同时，中间可动磁铁（5）的平衡位置为左右磁铁的中间位置，此时中间可动磁铁（5）的左端磁极受到左端固定磁铁（3）的右端磁极的磁性排斥作用力，等于中间可动磁铁（5）的右端磁极受到右端固定磁铁（4）的左端磁极的磁性排斥作用力，因此中间可动磁铁（5）处于受力平衡状态。这些磁性力的大小与磁极之间的距离平方成反比。如果将中间可动磁铁（5）从其平衡位置向其左侧拨动一定距离，则中间可动磁铁（5）的左端磁极受到左端固定磁铁（3）的右端磁极的磁性排斥作用力，会大于中间可动磁铁（5）的右端磁极受到右端固定磁铁（4）的左端磁极的磁性排斥作用力，这个总的排斥力会指向右侧，因而成为恢复力，此条件下的恢复力会使得中间可动磁铁（5）向右运动以恢复到其平衡位置。随着中间可动磁铁（5）越来越靠近其平衡位置，其受到的总排斥力越来越小，而其向右运动的速度却越来越大，因此中间可动磁铁（5）会冲过其平衡位置。随后，中间可动磁铁（5）向其平衡位置的右侧运动，在此情况下，中间可动磁铁（5）的左端磁极受到左端固定磁铁（3）的右端磁极的磁性排斥作用力，会小于中间可动磁铁（5）的右端磁极受到右端固定磁铁（4）的左端磁极的磁性排斥作用力，这个总的排斥力会指向左侧，并且越来越大，从而导致中间可动磁铁（5）向右运动的速度越来越小以至于停止，随后中间可动磁铁（5）会在磁性排斥力的作用下反向向左运动并冲过其平衡位置，向左侧运动，之后中间可动磁铁（5）在其平衡位置左侧某位置停止并在恢复力的作用下反向向右运动。如此重复，从而形成简谐振动。
28.本发明可用作高等院校、大中专院校以及高级中学的物理实验课教学仪器。

技术特征：
1.一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，包括底座(1)，底座上设有支架，其特征在于：设有导轨(2)、左端磁铁（3）、右端磁铁（4）和中间磁铁(5)，其中，导轨（2）左、右两端经支架固定在底座（1）上，导轨从左到右依次设有左端磁铁（3）、中间磁铁（5）和右端磁铁（4），所述左端磁铁（3）、右端磁铁（4）与导轨固定连接，中间磁铁（5）套在导轨上，左端磁铁（3）的右端磁性与中间磁铁（5）的左端磁性相同，右端磁铁（4）的左端磁性与中间磁铁（5）的右端磁性相同，中间磁铁（5）在偏离初始平衡位置后，可在磁铁之间的磁力作用下沿导轨往复运动，形成简谐振动。2.根据权利要求1所述的一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，其特征在于，所述支架包括，左端固定支撑台（6）和右端固定支撑台（7），左端固定支撑台（6）和右端固定支撑台（7）整体安装在底座(1)上。3.根据权利要求1所述的一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，其特征在于，导轨(2)上套有左端磁铁（3）、右端磁铁（4）以及中间磁铁(5) ，左端磁铁（3）、右端磁铁（4）以及中间磁铁(5) 三者共轴。4.根据权利要求1所述的一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，其特征在于，中间磁铁（5）底部设有光电门，用以在简谐振动现象持续的同时测得磁性振子的振动频率。5.根据权利要求1所述的一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，其特征在于，在中间磁铁（5）的端面设有激光测距式传感器。6.根据权利要求1所述的一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，其特征在于，所述导轨为圆柱形导杆。7.根据权利要求1所述的一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，其特征在于，所述导轨为气垫导轨，以减小中间磁铁振动时的摩擦力。8.根据权利要求1所述的一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，其特征在于，底座前侧面贴有刻度标尺。

技术总结
本实用新型公开了一种以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置，包括底座，底座上设有支架，其特征在于：设有导轨、左端固定磁铁、右端固定磁铁和中间可动磁铁，其中，导轨左、右两端经支架固定在底座上，导轨从左到右依次设有左端磁铁、中间磁铁和右端磁铁，所述左端磁铁、右端磁铁与导轨固定连接，中间磁铁套在导轨上，左端磁铁的右端磁性与中间磁铁的左端磁性相同，右端磁铁的左端磁性与中间磁铁的右端磁性相同，中间磁铁在偏离初始平衡位置后，可在磁铁之间的磁力作用下沿导轨往复运动，形成简谐振动，既可以用于展示说明平方反比律作用力作用下的机械振动，又可以作为一种简谐振动，开展与磁铁的质量，磁感应强度，磁铁之间的距离有关的实验。离有关的实验。离有关的实验。


技术研发人员：范光华 饶文杰 程玺琮 朱竞阳 刘会英 王延深
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学(威海)
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/7/23