CN104794963B - 一种可直观显示摩擦力方向的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可直观显示摩擦力方向的实验装置，采用不倒翁和激光二极管来演示物体运动时受到的摩擦力方向，不仅结构简单，操作方便，实验现象明显直观，稳定性好，可重复性强，而且可适用于研究曲线运动、直线运动等各种运动状态下的物体受到的摩擦力方向，趣味性强，教学效果显著，安全性能好。

Description

一种可直观显示摩擦力方向的实验装置

技术领域

本发明涉及一种摩擦力实验装置，尤其是能直观显示摩擦力方向的实验装置。

背景技术

摩擦力是高中物理教学内容的重点之一，而做匀速圆周运动转盘上的物体受到的摩擦力方向沿半径指向圆心，更是教学中的难点，特别是这个结论与直线运动中的物体受到的摩擦力方向总是与物体的运动方向在同一直线上形成鲜明矛盾，让许多学生无法理解。诸多教师对这一内容也是束手无策，只能更加结论化，即匀速圆周运动的物体需要一个指向圆心的力来反推摩擦力的方向。显然，这是一种解释方法，但是，对于物理认识还比较初浅的高一学生，没有直观的实验现象，难以直观判断该摩擦力的方向，缺少亲身体验，影响教学质量。要突破这一难点的最好方法就是通过设计实验，让匀速转动的转盘上的物体受到的摩擦力方向能直观地沿半径指向圆心，从而获得亲身体验，加深理解。目前，在高中物理课堂教学中，没有涉及转盘上物体受到摩擦力方向的演示实验装置，也有诸多设计者针对这一难点设计很多实验，但效果不佳。比如专利号为CN102466530A，名称为“摩擦力仪”的中国发明专利，该装置只能适用于直线运动的物体受到静摩擦力或动摩擦力的演示，无法适用于匀速圆周运动的物体受到摩擦力的演示。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可直观显示匀速圆周运动的物体受到摩擦力方向的实验装置，同时该实验装置同样适用于直线运动的物体受到静摩擦力或动摩擦力方向的演示。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种可直观显示摩擦力方向的实验装置，包括壳体与底座，所述壳体的底部通过弹性橡皮膜固定在底座的上表面，所述壳体的顶部设置有透明显示盘，所述壳体内固定有不倒翁，所述不倒翁竖直设置，所述不倒翁内沿中心轴方向向上延伸设置有第一连杆，所述第一连杆的顶端设置有第一激光二极管，所述不倒翁的底部沿中心轴方向向下延伸设置有第二连杆，所述第二连杆的底端穿过底座上表面开设的通孔伸入底座内，所述第二连杆的底端设有导电部；所述底座内设置有电源和一个以上的导电片，所述导电部与电源的其中一个电极电连接，所述一个以上的导电片以第二连杆为中心轴设置在导电部的周侧且分别与电源的另一个电极电连接，每个导电片与电源的连接线路上均设置有第二激光二极管，所述第二激光二极管设置在与对应线路上的导电片同侧的底座的侧面上且与导电部、对应线路上的导电片呈直线排列。

本发明的有益效果在于：

(1)引入激光光线，能让学生清楚观察到做匀速圆周运动的物体受到的摩擦力方向沿半径指向圆心。

(2)本发明装置满足摩擦力产生原理，不仅适用于研究曲线运动的物体受到摩擦力，也适用于做直线运动的物体受到的摩擦力；不仅适用于研究静摩擦力，也适用于研究滑动摩擦力，能有效帮助学生掌握摩擦力这一抽象概念。

(3)具有结构简单，操作方便，实验现象明显直观，稳定性好，可重复性强等优点；引入激光，能大大激发学生的学习热情。

附图说明

图1所示为本发明实施方式的可直观显示摩擦力方向的实验装置的外部结构示意图。

图2所示为本发明实施方式的可直观显示摩擦力方向的实验装置的内部结构示意图。

图3所示为本发明实施方式的可直观显示摩擦力方向的实验装置做匀速圆周运动时的演示效果图。

标号说明：

1-壳体；2-底座；3-弹性橡皮膜；4-透明显示盘；5-不倒翁；6-第一连杆；7-第一激光二极管；8-第二连杆；9-电源；10-导电片；11-第二激光二极管；12-转盘；13-垫块；14-配重台；21-配重块；80-导电部。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：采用不倒翁和激光二极管来演示物体运动时受到的摩擦力方向。

具体的，请参照图1与图2所示，本发明实施方式的可直观显示摩擦力方向的实验装置，包括壳体1与底座2，所述壳体1的底部通过弹性橡皮膜3固定在底座2的上表面，所述壳体1的顶部设置有透明显示盘4，所述壳体1内固定有不倒翁5，所述不倒翁5竖直设置，所述不倒翁5内沿中心轴方向向上延伸设置有第一连杆6，所述第一连杆6的顶端设置有第一激光二极管7，所述不倒翁5的底部沿中心轴方向向下延伸设置有第二连杆8，所述第二连杆8的底端穿过底座2上表面开设的通孔伸入底座2内，所述第二连杆8的底端设有导电部80；所述底座2内设置有电源9和一个以上的导电片10，所述导电部80与电源9的其中一个电极电连接，所述一个以上的导电片10以第二连杆8为中心轴设置在导电部80的周侧且分别与电源9的另一个电极电连接，每个导电片10与电源9的连接线路上均设置有第二激光二极管11，所述第二激光二极管11设置在与对应线路上的导电片10同侧的底座2的侧面上且与导电部80、对应线路上的导电片10呈直线排列。

如图3所示，本发明的演示过程如下：

将本装置放置在匀速转动的转盘12上，本装置由于受到摩擦力作用，一起做匀速圆周运动。本装置的底座2底面受到摩擦力作用与转盘12保持相对静止，而上部分的不倒翁5由于惯性，向外倾倒。此时，可观察到两个明显实验现象：其一，壳体1顶部的透明显示盘4上的激光光斑(由第一激光二极管7发出的激光光线照射在透明显示盘4上形成)向外偏移，说明此时装置的相对运动趋势向外；其二，底座2内部，第二连杆8由于与不倒翁5固定连接，将向不倒翁5倾倒方向的反方向偏转，第二连杆8底端的导电部80与反方向上的导电片10接触，接通电路，使得反方向上的第二激光二极管11发出光线且沿转盘12的半径指向转盘12的圆心，说明此时装置受到的摩擦力方向是沿转盘12的半径指向转盘12的圆心。上述两个实验现象直观明显。

当实验完成之后，转盘12停止转动，装置也随之停止匀速圆周运动，保持静止状态，不倒翁5恢复竖直状态，透明显示盘4上的激光光斑回到中心处，同时第二连杆8底端的导电部80与导电片10分离，电路断开，第二激光二极管11自动熄灭。而壳体1底部与底座2连接处的弹性橡皮膜3起到固定和恢复原状的作用。

在上述实施方式中，导电片10和第二激光二极管11的数量可以为一个以上，当数量各为一时，调整本装置的放置位置，使导电片10和第二激光二极管11位于不倒翁5倾倒方向的反方向上，即可直观明显的观察到上述两个实验现象，实现本发明目的。本发明优选的在底座2的前、后、左、右四个方向上分别安装一个激光二极管11(对应的，导电片10的数量也为四，分别设置在导电部80的前、后、左、右四个方向上)，目的在于说明匀速转盘12上的物体受到的摩擦力方向是沿半径指向圆心，即只有面向圆心方向的激光二极管有发光，而其他方向均无光线，特别是左右两个方向没有光线，说明装置受到的摩擦力方向不是与速度方向共线即轨迹的切线方向。当然，本发明还可以设置更多数量的导电片10和第二激光二极管11，使本装置在放置时无需考虑方位，简化操作。

在上述实施方式中，第二连杆8的底端穿过底座2上表面开设的通孔伸入底座2内。可以理解，由于第二连杆8在装置运动过程中需要偏转并使底端的导电部80与导电片10接触，因此该通孔的大小必须提供第二连杆8足够的偏转空间，使导电部80能够偏转到与导电片10接触的位置；另外，导电片10与导电部80之间的距离，也应当控制在导电片10能够与导电部80接触的范围内。上述关于通孔与间距的设置都是在本发明原理的基础上容易得到的，在此不做详细阐述。

本发明装置同样适用于研究直线上运动的物体受到静摩擦力或者滑动摩擦力的演示。在静摩擦力和动摩擦力实验过程中，不倒翁5同样会因为惯性而向直线运动方向的反方向倾倒，壳体1顶部的透明显示盘4上的激光光斑向倾倒方向偏移，说明此时装置的相对运动趋势与直线运动方向相反；而第二连杆8将向不倒翁5倾倒方向的反方向即直线运动方向偏转，使直线运动方向上的导电片电路接通，该电路上的第二激光二极管11发出光线且与直线运动方向同向，说明此时装置受到的摩擦力方向是直线运动方向。上述两个实验现象依然直观明显。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：

(1)引入激光光线，能让学生清楚观察到做匀速圆周运动的物体受到的摩擦力方向沿半径指向圆心。

(2)本发明装置满足摩擦力产生原理，不仅适用于研究曲线运动的物体受到摩擦力，也适用于做直线运动的物体受到的摩擦力；不仅适用于研究静摩擦力，也适用于研究滑动摩擦力，能有效帮助学生掌握摩擦力这一抽象概念。

(3)具有结构简单，操作方便，实验现象明显直观，稳定性好，可重复性强等优点；引入激光，能大大激发学生的学习热情。

进一步的，所述不倒翁5的底部支承在底座2的上表面上。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：将不倒翁支承在底座上，结构更稳定。

进一步的，所述不倒翁5的底部与底座2的上表面之间设置有垫块13，所述垫块13上开设有供第二连杆8穿过的通孔。可以理解，该通孔的大小也必须提供第二连杆8足够的偏转空间，使导电部80能够偏转到与导电片10接触的位置。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过设置垫块，能有效减少冲击力对不倒翁造成的损坏，提高装置的使用寿命。

进一步的，所述第一连杆6的顶端设置有配重台14，所述第一激光二极管7设置在配重台14上。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过设置配重台，能有效增大不倒翁的惯性，提高实验灵敏度。

进一步的，第一激光二极管内配置有锂电池。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：将锂电池直接安装在第一激光二极管内，直接控制，无需布线。

进一步的，所述第二连杆8由金属材质制成，所述导电部80通过连接在第二连杆8上的导线与电源9的其中一个电极电连接。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：采用金属材质制成的第二连杆导电性能更好，布线时只需将导线连接在第二连杆上即可使导电部与电源电连接，从而便于装配和优化布线，而第二连杆位于底座内也不易发生用电安全问题，安全性能有保障。

进一步的，所述底座2内设置有配重块21。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过设置配重块，可以进一步提高装置的稳度。

进一步的，所述壳体1由刚性轻质材料制成。

请继续参照图1与图2，本发明的实施例一为：

一种可直观显示摩擦力方向的实验装置，包括壳体1与底座2，所述壳体1由刚性轻质材料制成，所述壳体1的底部通过弹性橡皮膜3固定在底座2的上表面，所述壳体1的顶部设置有透明显示盘4，所述壳体1内固定有不倒翁5，所述不倒翁5竖直设置，所述不倒翁5的底部支承在底座2的上表面上，所述不倒翁5的底部与底座2的上表面之间设置有垫块13，所述垫块13上开设有供第二连杆8穿过的通孔，所述不倒翁5内沿中心轴方向向上延伸设置有第一连杆6，所述第一连杆6的顶端设置有配重台14，所述配重台14上设置有第一激光二极管7，所述不倒翁5的底部沿中心轴方向向下延伸设置有第二连杆8，所述第二连杆8由金属材质制成，所述第二连杆8的底端穿过底座2上表面开设的通孔伸入底座2内，所述第二连杆8的底端设有导电部80；所述底座2内设置有配重块21、电源9和四个导电片10，所述第一激光二极管7通过埋设于第一连杆6内的导线与电源9电连接，所述导电部80通过连接在第二连杆8上的导线与电源9的其中一个电极电连接，所述四个导电片10以第二连杆8为中心轴设置在导电部80的前、后、左、右四个方向上且分别与电源9的另一个电极电连接，每个导电片10与电源9的连接线路上均设置有第二激光二极管11，所述第二激光二极管11设置在与对应线路上的导电片10同侧的底座2的侧面上且与导电部80、对应线路上的导电片10呈直线排列。

综上所述，本发明提供的可直观显示摩擦力方向的实验装置，不仅结构简单，操作方便，实验现象明显直观，稳定性好，可重复性强，而且可适用于研究曲线运动、直线运动等各种运动状态下的物体受到的摩擦力方向，趣味性强，教学效果显著，安全性能好。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种可直观显示摩擦力方向的实验装置，其特征在于：包括壳体与底座，所述壳体的底部通过弹性橡皮膜固定在底座的上表面，所述壳体的顶部设置有透明显示盘，所述壳体内固定有不倒翁，所述不倒翁竖直设置，所述不倒翁内沿中心轴方向向上延伸设置有第一连杆，所述第一连杆的顶端设置有第一激光二极管，所述不倒翁的底部沿中心轴方向向下延伸设置有第二连杆，所述第二连杆的底端穿过底座上表面开设的通孔伸入底座内，所述第二连杆的底端设有导电部；所述底座内设置有电源和一个以上的导电片，所述导电部与电源的其中一个电极电连接，所述一个以上的导电片以第二连杆为中心轴设置在导电部的周侧且分别与电源的另一个电极电连接，每个导电片与电源的连接线路上均设置有第二激光二极管，所述第二激光二极管设置在与对应线路上的导电片同侧的底座的侧面上且与导电部、对应线路上的导电片呈直线排列。

2.根据权利要求1所述的可直观显示摩擦力方向的实验装置，其特征在于：所述不倒翁的底部支承在底座的上表面上。

3.根据权利要求2所述的可直观显示摩擦力方向的实验装置，其特征在于：所述不倒翁的底部与底座的上表面之间设置有垫块，所述垫块上开设有供第二连杆穿过的通孔。

4.根据权利要求1所述的可直观显示摩擦力方向的实验装置，其特征在于：所述第一连杆的顶端设置有配重台，所述第一激光二极管设置在配重台上。

5.根据权利要求1所述的可直观显示摩擦力方向的实验装置，其特征在于：所述第一激光二极管内配置有锂电池。

6.根据权利要求1所述的可直观显示摩擦力方向的实验装置，其特征在于：所述第二连杆由金属材质制成，所述导电部通过连接在第二连杆上的导线与电源的其中一个电极电连接。

7.根据权利要求1所述的可直观显示摩擦力方向的实验装置，其特征在于：所述底座内设置有配重块。

8.根据权利要求1所述的可直观显示摩擦力方向的实验装置，其特征在于：所述壳体由刚性轻质材料制成。