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大学物理实验, 2026, 39(4): 73-77     https://doi.org/10.14139/ j.cnki.cn22-1228.2026.04.012
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蛇形摆的 MATLAB 模拟及拓展研究
何春乐,付美荣
长治学院 物理系,山西 长治 046011
MATLAB Simulation and Extended Research of the Snake Pendulum
HE Chunle, FU Meirong
Department of Physics, Changzhi University, Changzhi, Shanxi 046000, China
下载:  PDF (1284KB) 
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摘要 蛇形摆是由多个不同摆长单摆组成的经典力学演示装置,在地方高校应用型物理实验教学中具有重要价值。 针对传统小角度(<5°) 近似下摆幅过小、演示效果受限的问题,本研究基于MATLAB 建立了蛇形摆的精确动力学模型,系统研究了其非线性特性并进行了教学拓展设计。 首先推导了基于第一类完全椭圆积分的大角度摆动精确周期公式,设计了包含 10 个摆球的蛇形摆系统(总周期 40 s)。 针对摆角从 5°拓展至 45°的演示需求,提出了"周期补偿"与"摆长补偿"两种实施方案。 理论
计算表明:当摆角增大至 45°时,若采用周期调整方案(新周期 41.598 9 s),摆球水平最大摆幅可由6.54 cm增大至 53.07 cm,且无需重新加工摆长,显著增强了实验可操作性。 MATLAB 数值模拟验证了不同摆球位置随时间演化的周期性和波形演化规律,为物理实验教学提供了有效的理论指导和实践方案。
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何春乐
付美荣
关键词:     蛇形摆  MATLAB 模拟  大角度近似  物理实验教学    
Abstract:  The snake pendulum is a classical mechanics demonstration device composed of multiple simplependulums with different lengths, holding significant value in applied physics experimental teaching at localuniversities. To address the limitations of traditional small-angle (<5o) approximations where the oscillationamplitude is too small and demonstration effects are restricted, this study establishes an exact dynamic model ofthe snake pendulum based on MATLAB, systematically investigates its nonlinear characteristics, and developsteaching extension designs. First, the exact period formula for large-angle oscillations based on the completeelliptic integral of the first kind is derived, and a snake pendulum system comprising 10 pendulum bobs with atotal period of 40 s is designed. To meet demonstration requirements with pendulum angles expanded from 5o to45o, two implementation schemes-" period compensation" and " pendulum length compensation"-areproposed. Theoretical calculations indicate that when the pendulum angle increases to 45o, adopting the periodadjustment scheme(new period 41.598 9 s) can enlarge the maximum horizontal oscillation amplitude of thebobs from 6.54 cm to 53.07 cm without requiring reprocessing of pendulum lengths, significantly enhancingexperimental operability. MATLAB numerical simulations verify the periodicity and waveform evolution patternsof different pendulum bob positions over time, providing effective theoretical guidance and practical solutionsfor physics experimental teaching.
Key words:  snake pendulum    MATLAB simulation    large-angle approximation    physics experimental teaching
                    发布日期:  2026-08-24     
:  O 4-33  
基金资助: 山西省高等学校教学创新改革项目(J2021681,J2020327);长治学院校级课程类项目(XN0174)
引用本文:    
何春乐, 付美荣. 蛇形摆的 MATLAB 模拟及拓展研究[J]. 大学物理实验, 2026, 39(4): 73-77.
HE Chunle, FU Meirong. MATLAB Simulation and Extended Research of the Snake Pendulum. Physical Experiment of College, 2026, 39(4): 73-77.
链接本文:  
https://dawushiyan.jluct.edu.cn/CN/10.14139/ j.cnki.cn22-1228.2026.04.012  或          https://dawushiyan.jluct.edu.cn/CN/Y2026/V39/I4/73
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