18.FD-GLB-I新型焦利称实验仪说明书

FD-GLB-II

新型焦利秤实验仪(简谐振动与弹簧劲度系数实验仪)

说

明

书

上海复旦天欣科教仪器有限公司

中国上海

弹簧劲度系数实验仪说明书

(新型焦利秤实验仪）

一、概述

90年代以来，集成霍耳传感器技术得到了迅猛发展，各种性能的集成霍耳传感器层出不穷，在工业、交通、无线电等领域的自动控制中，此类传感器得到了广泛的应用。如：磁感应强度测量、微小位移、周期和转速的测量，以及液位控制、流量控制、车辆行程计量、车辆气缸自动点火和自动门窗等。为使原有传统的力学实验增加新科技内容，并使实验装臵更牢靠，复旦大学物理实验教学中心与本公司协作，对原焦利秤拉线杆升降装臵易断及易打滑等弊病进行了改进，采用指针加反射镜与游标尺相结合的弹簧位臵读数装臵，提高了测量的准确度。在计时方法上采用了集成开关型霍耳传感器测量弹簧振动周期。此项改进，既保留了经典的测量手段和操作技能，同时又引入了用霍耳传感器来测量周期的新方法，让学生对集成霍耳开关传感器的特性及其在自动测量和自动控制中的应用有进一步的认识。通过本实验装臵可掌握弹簧振子作简谐运动的规律，又可熟悉胡克定律，并可学习振动周期的测量新方法。本仪器可用于高校及中专基础物理实验，也可用于传感器技术实验及物理演示实验。

二、用途

1、验证胡克定律，测量弹簧劲度系数。

2、研究弹簧振子作简谐振动的特性，测量简谐振动的周期，用理论公式计算

弹簧劲度系数，对两种方法的测量结果进行比较。

3、学习集成霍耳开关的特性及使用方法，用集成霍耳开关准确测量弹簧振子

的振动周期。

4、用新型焦利秤测量微小拉力。

5、测量本地区的重力加速度。

6、观测弹簧的线径与直径对弹簧劲度系数的影响。

三、仪器组成及技术指标

（一）、仪器组成

实验仪器由三部分组成，如下图所示：

（a）计时计数毫秒仪

（b）集成霍耳开关传感器固定板及引线

（c）新型焦利秤

（d）砝码组

①500mg砝码，10片（用于静态拉伸法测量弹簧的劲度系数）

②20g左右砝码，1个（用于动态简谐振动法测量1号弹簧丝的劲度系数）

③50g左右砝码，1个（用于动态简谐振动法测量2号弹簧丝的劲度系数）

1、小磁钢

2、集成霍耳开关传感器

3、白色发光二极管

4、霍耳传感器管脚接线柱

5、调节旋钮（调节弹簧与主尺之间的距离）

6、横臂

7、吊钩

8、弹簧

9、初始砝码10、小指针11、挂钩12、小镜子13、砝码托盘14、游标尺15、主尺16、重锤（调节立柱铅直） 17、水平调节螺丝 18、计数显示 19、计时显示20、低电平指示 21、复位键 22、设臵/阅览功能按键 23、电源,信号接线柱.

（二）、技术指标

1、焦利秤标尺量程：0-551mm，读数精度为0.02mm。

2、计时计数毫秒仪读数精度为1ms，周期有存储功能，计时结束后可查阅每个

振动周期值。

3、集成霍耳开关传感器使用临界距离：9mm。

4、小磁钢直径为12mm，厚度为2mm。

5、弹簧分两种：

弹簧1号丝的线径为0.4mm，弹簧的外径为10mm，劲度系数小于1N/m；

弹簧2号丝的线径为0.6mm，弹簧的外径为12mm，劲度系数大于4N/m。

6、砝码组：

①500mg砝码，10片（用于静态拉伸法测量弹簧的劲度系数）

②20g左右砝码，1个（用于动态简谐振动法测量1号弹簧丝的劲度系数）

③50g左右砝码，1个（用于动态简谐振动法测量2号弹簧丝的劲度系数）

四、保养与维护

1、弹簧拉伸不能超过弹性限度，弹簧拉伸过长将发生形变使其损坏。

2、做完实验后，为防止弹簧长期处于拉伸状态，须将弹簧取下，使弹簧恢复

自然状态。

3、砝码取下后应放入砝码盒中。

4、切勿将小指针弯折，以防止其变形。

计时计数毫秒仪使用说明

一、工作原理

此仪器利用单片机芯片，同时具有计时和计数功能。为了适应实验要求，当单片机中断口前两次接收到下降沿信号或正在设定计数值时，不对其计数，只有当第三次接收到信号或设定完成时才开始计数，同时开始计时，每接收到一个下降沿信号就计数一次，直至使用者预设的值，则停止计数和计时。这时可从计时显示中读出发生触发信号所用的时间，例：弹簧的振动周期。

二、使用步骤

1、将仪器接线柱用导线与外部元件对应管脚连接：+5V：给传感器提供5V电

压。GND：接地。IN：触发信号输入端与传感器输出端（第三脚）相连。

2、打开电源，先设定计数值，计数显示屏上将显示此数值，此时仪器处于等

待状态，仪器右上角的低电平指示灯一直为暗，接收到一个触发信号，灯就亮一次，当接收到第三个触发信号后开始计时。

3、计时结束后，可读出计时值。这时,若按设定/阅览值，可阅览前面每次触

发间隔的时间。

三、仪器用途

本仪器可用于测量周期性运动物体的工作周期。

简谐振动特性研究与弹簧劲度系数测量

一、实验目的

1. 胡克定律的验证与弹簧劲度系数的测量。

2. 测量弹簧的简谐振动周期，求得弹簧的劲度系数。

3. 测量两个不同弹簧的劲度系数，加深对弹簧的劲度系数与它的线径、外径关系的了解。

4. 了解并掌握集成霍耳开关传感器的基本工作原理和应用方法。

二、实验原理

1. 弹簧在外力作用下将产生形变（伸长或缩短）。在弹性限度内由胡克定律知：外力F 和它的变形量y ?成正比，即

y K F ??= （1）

（1）式中，K 为弹簧的劲度系数，它取决于弹簧的形状、材料的性质。通过测量F 和y ?的对应关系，就可由（1）式推算出弹簧的劲度系数K 。

2. 将质量为M 的物体挂在垂直悬挂于固定支架上的弹簧的下端，构成一个弹簧振子，若物体在外力作用下（如用手下拉，或向上托）离开平衡位臵少许，然后释放，则物体就在平衡点附近做简谐振动，其周期为 K

PM M T 0

2+=π

（2） 式中P 是待定系数，它的值近似为1/3，可由实验测得，0M 是弹簧本身的质量，而0PM 被称为弹簧的有效质量。通过测量弹簧振子的振动周期T ，就可由（2）式计算出弹簧的劲度系数K 。 3. 磁开关（磁场控制开关）

如图1所示，集成霍耳传感器是一种磁敏开关。“+”“-”间加V 5直流电压，“+”接电源正极、“-”接电源负极。当垂直于该传感器的磁感应强度大于某值Bop 时,该传感器处于“导通”状态，这时处于“O ”脚和“-”脚之间输出电压极小，近似为零，当磁感强度小于某值Brp(Brp

输入周期测定仪，测量物体转动的周期或物体移动所经时间。

图 1

三、实验步骤

1. 用新型焦利秤测定弹簧劲度系数K

（1）调节底板的三个水平调节螺丝，使重锤尖端对准重锤基准的尖端。（2）在主尺顶部安装弹簧，再依次挂入吊钩、初始砝码，使小指针被夹在两个初始砝码中间，下方的初始砝码通过吊钩和金属丝连接砝码托盘，这时弹

簧已被拉伸一段距离。（可参考说明书中的装臵图）

（3）调整小游标的高度使小游标左侧的基准刻线大致对准指针，锁紧固定小游标的锁紧螺钉，然后调整视差，先让指针与镜子中的虚象重合，再调节小

游标上的调节螺母，使得小游标上的基准刻线在观察者的视差已被调整好

的情况下被指针挡住，通过主尺和游标尺读出读数（读数原理和方法与游

标卡尺相同）。

（4）先在砝码托盘中放入0.5克砝码，然后再重复实验步骤（3），读出此时指针所在的位臵值。先后放入10个0.5克砝码，通过主尺和游标尺依次读

出每个砝码被放入后小指针的位臵，再依次把这10个砝码取下拖盘，记

下对应的位臵值。

（5）根据每次放入或取下砝码时弹簧所受的重力和对应的拉伸值，绘出外力和拉伸值曲线图，从而得出弹簧的劲度系数。

2. 测量弹簧简谐振动周期，计算得出弹簧的劲度系数。

（1）取下弹簧下的砝码托盘、吊钩和校准砝码、指针，挂入20g铁砝码，铁砝码下吸有磁钢片（磁极需正确摆放，否则不能使霍耳开关传感器导通）。（2）把传感器附板夹入固定架中，固定架的另一端由一个锁紧螺丝把传感器附板固定在游标尺的侧面。

（3）分别把霍耳传感器固定板上的V+、V-，Vout 与计时器的V+、V-、Vin用导线连接起来，打开计时器。

（4）调整霍耳传感器固定板的方位与横臂的方位，使磁铁与霍耳传感器正面对准，并调整小游标的高度，以便小磁钢在振动过程中触发霍耳传感器，当传感器被触发时，固定板上的白色发光二极管将被点亮。

（5）向下拖动砝码使其拉伸一定距离，使小磁钢面贴近霍耳传感器的正面，这时可看到霍耳传感器固定板中的白色发光二极管是亮的，然后松开手，让砝码来回振动，此时发光二极管在闪烁。

（6）计数器停止计数后，记录计时器显示的数值（计时器的使用参看前面计时计数毫秒仪的使用说明）。

四、实验结果例

1. 数据采集

表1 1号弹簧丝劲度系数的测量

如表1所示，T 表示弹簧振动周期，M 是放入砝码的累计质量，Y （增）是依次加入砝码后弹簧的位臵值，Y （减）是依次减少砝码后弹簧的位臵值。 弹簧质量g M 26.90=， 弹簧等效质量g M 09.33

= 2. 数据处理

方法1 列出表2，根据表2作M Y -图，如图2所示，求斜率K '

表2 1号弹簧丝劲度系数的测量（伸长法）

图2 弹簧2号的Y-M 关系 弹簧劲度系数m N g k k /878.0'

1

=?=

，2/794.9s m g =（上海地区） 方法2 用弹簧作简谐振动，测量振动周期的方法求1号弹簧丝的劲度系数

g M 96.21='， g M 26.90=

公式 2

1

0312??

???

?

??+=K M M T π ， 则m N T M M K /867.0314202=??? ??+=π 用两种方法测量弹簧1号的劲度系数的百分差为1.3%。

五、实验注意事项

此项实验配有两个弹簧，实验时可选一个，也可两个都做，观测弹簧的线径和外径与劲度系数的关系。但须注意，实验时弹簧需有一定伸长，即弹簧须每圈

间要拉开些，克服静摩擦力，否则会带来较大的误差。因此，用拉伸法测量时，对线径为0.4mm的弹簧，砝码托盘在初始时不需放入砝码，对线径为0.6mm的弹簧需在砝码托盘中事先放入20g砝码；而用振动法测量时，对线径为0.4mm的弹簧，应挂入20g砝码，对线径为0.6mm的弹簧，应挂入一50g左右的砝码。六、建议

本实验可先要求学生用手控秒表计时，然后再用传感器计时，求得弹簧的劲度系数，两个实验结果进行比较。这样，实验教学内容更丰富，教学效果更好。

上海复旦天欣科教仪器有限公司

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