设计“永动”秋千

1．设计装置如图（二）4．15－1所示，由小马达通过摩擦轮减速传动，带动凸轮。凸轮每转一周，杠杆绕轴往复运动一次。

　　实验时，调节马达转速，使其周期与摆的周期相等，且使摆球每达到左端时受杠杆一次推动，从而使摆维持等幅振荡。

　　2．取一小块镍铁片（可以砸坏一只废的电子管，从它里面的支架上取出镍铁片），用线把它悬挂起来作为单摆。在摆的一侧放一块永久磁铁，在靠近磁铁处放酒精灯或蜡烛，如图（二）4．15－2所示。

　　实验时，使镍铁片摆动起来，当镍铁片向着永久磁铁一极摆动时，受磁场吸引，至镍铁片摆至火焰上方时，由于高温影响，镍铁片退磁，磁性消失，因此向相反方向摆回。如此，每当周期性地向磁铁摆过来时，都将受到磁场力的策动，从而补充了能量，使摆动能够维持下去。

　　3．利用干簧管作为控制开关，也可做一个“永动摆”。干簧管又称舌簧开关，它是由一组导磁簧片封装在充有惰性气体的玻璃管中组成的开关元件，其结构如图（二）4．15－3所示。其中导磁簧片既作导磁用，又作为导电的开关。当干簧管受外加磁场作用时，管中的两根簧片被磁化，因极性相异而相互吸引，使两簧片接触。

　　用干簧管控制的摆的结构如图（二）4．15－4所示，它由摆动系统、干簧管控制电路和电磁铁执行电路组成。在秋千摆的下端装一只小磁铁，小磁铁的NS极连线与摆动的切线方向相一致。在摆的左侧最高点附近，装置电磁铁。电磁铁可以用φ0．4毫米左右的漆包线在骨架上绕1000圈制成。电源用6伏左右，将继电器的常开触点K_J串接在执行电路中。干簧管放置在摆的左侧最高点下方。将它与电源（6伏）、继电器的线 圈串接成控制电路。继电器可用小型电磁继电器JRX－13F型（线圈工作电压6伏的）。

　　实验时，当摆到达左侧最高点时，经干簧管上方，干簧片被磁化吸合，于是控制电路接通，继电器动作。其常开触点K_J闭合，又使电磁铁通电，并对摆中的磁铁产生推斥作用，当摆离开左侧最高点时，干簧管断开，电磁铁也就断电。这样同期性地对摆推动，摆就得以维持振动。

　　这种设计方案可以用如图（二）4．15－5所示的电路来实现。图中的晶体管起放大开关的作用，电磁线圈L₂是它的负载，L₁是反馈线圈。当秋千摆中的踏板向一个方向摆动而接近线圈时，L₁中的磁通量发生变化，产生感应电动势，偏流I_b使晶体管导通，于是L₂中就有放大的电流I_e流过，I_e在线圈中形成磁场，且极性与踏板下的磁铁的极性相同，产生的斥力推动踏板向高处摆动。如此，秋千摆每经平衡位置都受到一次与其摆动方向相一致的推动，于是摆幅逐渐增大，最后稳定下来。

　　图中晶体管可用小功率高频硅管3DG6（β＞90），线圈L₁和L₂绕在同一个骨架上，线圈骨架可以用塑料板和圆珠笔管胶合而成，形状如图（二）4．15－6所示。L₁用线径为0．1毫米、L₂用线径为0．20毫米的漆包线，双线并绕4000圈左右。绕完后，在L₁的始端和L₂的末端各焊一根塑料软线A、B作为引出线，把L₁的末端与L₂的始端连接起来，也焊一根软线C，将A、B、C端接在电路中相应的位置。

　　装置秋千架时，应注意：在踏板静止时，磁铁与底座线圈端面的距离应在2－3毫米左右。线圈L₂通电后的磁极极性应与磁铁下端的极性相反。

选自：《高中物理课外实验》