CN106340227B - 一种力学综合实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力学综合实验装置，包括，壳体、顶板、实验载板，实验载板两端分别与第一支撑板和第二支撑板一端铰接，第一支撑板和第二支撑板另一端分别安装有第六轴体和第二轴体，第六轴体和第二轴体可带动第一支撑板和第二支撑板向实验载板施压向上的顶力；实验载板还与软尺一端固定，可通过软尺读取L3的值。本发明还公开了基于上述实验装置的实验方法。本发明功能较为全面，能够进行多种力学实验；本发明能够实时读取软尺尺寸，为后续的力学计算提供核心数值，使得学生能够深入进行实验、计算，提高教学效果。本发明的实验方法能够实现多种力学现象的演示、参数采集、计算等，通过实际的操作、测试、计算，强化学生对相关力学知识的掌握。

Description

一种力学综合实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及一种实验装置，特别是涉及一种用于力学实验的装置。本发明还涉及基于上述实验装置的实验方法。

背景技术

在中学物理中，力学是十分重要的学习内容，其中摩擦力的理论、实践、实验又是整个中学物理中非常重要的组成部分。在关于摩擦力的学习中，自锁又是一个重要现象，研究自锁对于理解摩擦力、重力等理论是具有相当大的帮助的。

目前，对于自锁现象的教学，老师大多通过结合实际的自然现象和生活常识来进行讲解，但是，由于学生的抽象和关联能力本来就不够完善，这就导致学生对于自锁现象的理解始终存在较大的难度。

针对上述问题，目前在实际教学中已经开始使用相关可以模拟自锁及解锁现象的实验装置，通过这些实验装置的实际演示、模拟，可以加深学生的理解及印象，提升教学效果。

目前，具有这种功能的实验技术主要有：

专利号为CN201410346474.1，名为摩擦自锁原理教学实验装置及其实验方法。其主要通过将有机玻璃滑块放置在有机玻璃斜板上，然后将有机玻璃斜板一端抬高，使有机玻璃斜板形成斜面，当斜面的斜度达到滑块的自锁角度后，滑块就会滑动。这个过程中能够直观地演示自锁及解锁现象，但是其教学效果很有限，学生无法通过该实验装置计算相关的摩擦力、滑块对滑板压力、重力分力等。由于没有实际的计算、理论分析等步骤，导致学生虽然理解了自锁现象，但是，涉及到计算、分析等内容还是其一个难点。

专利号为CN200710039777.9，名为一种摩擦力测定实验装置的中国发明专利中，也公开了与上述实验装置类似的技术。

专利号为CN201210413462.7，用于散粒体物料摩擦角和摩擦系数测量的斜面仪装置的中国发明专利中，公开了即可采集散粒体物料自锁解锁时的相关数据，以方便进行摩擦力计算。但是，这种结构只适合单一的自锁研究，而且精度不高。

综合上述，申请人认为，目前缺乏一种可以采集解锁时计算物体摩擦力的相关数据，这样即能够让学生直观地理解自锁及解锁现象，又能通过采集数据进行相关计算，将理论重新引用到实践中，提高教学效果。另外，基于节约器材购买成本的考虑，故申请人认为，需要一种能够进行多种力学实验的实验装置。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种力学综合实验装置，其能够采集滑块解锁时用于计算滑块摩擦力的数据且还能够进行多种力学实验。

本发明还提供了基于上述实验装置的实验方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种力学综合实验装置，包括，壳体、顶板、实验载板，所述的实验载板两端分别设有载板铰接板和载板铰接块，所述的载板铰接板通过第七轴体与第二支撑板的支撑板铰接块装配并形成铰接结构；所述的第二支撑板在远离支撑板铰接块一端上设有支撑板连接块，第六轴体穿过支撑板连接块上的通孔与支撑板连接块装配，所述的第六轴体两端分别固定有第六齿轮和第六副齿轮；所述的第六齿轮上下两端分别与第四同步齿带和第三齿条啮合，且所述的第六齿轮可与第四同步齿带和第三齿条啮合转动；所述的第六副齿轮两端分别与第四副同步齿带和第三副齿条啮合，且所述的第六副齿轮可与第四副同步齿带和第三副齿条啮合转动；所述的第四同步齿带两端分别与第五带轮和第八带轮配合并形成带传动结构；所述的第五带轮固定在第五轴体一端，所述的第五轴体另一端固定有第五副带轮；所述的第八带轮固定在第八轴体一端，所述的第八轴体另一端固定有第八副带轮；所述的第五副带轮和第八副带轮分别与第四副同步齿带两端配合并形成带传动结构；所述的第五轴体靠近第五带轮一端上还设有花键轴部分，所述的花键轴部分上套有切换筒，所述的切换筒上套有从动带轮，所述的从动带轮通过动力皮带与主动带轮配合形成带传动结构；所述的主动带轮固定在第四轴体上，所述的第四轴体上还设有第四带轮和第四副带轮、主动齿轮；

所述的第四带轮和第四副带轮分别与第一同步齿带和第一副同步齿带一端配合，所述的第一同步齿带和第一副同步齿带另一端分别与第一带轮和第一副带轮配合并形成带传动结构；

所述的第一带轮和第一副带轮均安装在第一轴体上；

所述的第一同步齿带和第一副同步齿带外侧上的驱动齿部分均与第二齿轮和第二副齿轮啮合，所述的第二齿轮和第二副齿轮还分别与第二齿条和第二副齿条啮合，且所述的第二齿轮和第二副齿轮分别与第一同步齿带和第一副同步齿带、第二齿条和第二副齿条B202啮合转动；

所述的第二齿轮和第二副齿轮均安装在第二轴体上，所述的第二轴体穿过第一支撑板上的第一支撑连接块与第一支撑板可转动装配；

所述的第一支撑板远离第一支撑连接块一端通过第九轴体与载板铰接块装配并形成铰链结构；

所述的实验载板上还设有安装槽、两侧设有软尺安装块和气管连接块，所述的安装槽中安装有滑板；

所述的软尺安装块与软尺一端连接固定，所述的气管连接块与气管一端连通；

所述的软尺上刻有刻度且另一端缠绕在绕尺轮上；

所述的气管用于导气，且其另一端与气泵排气口连通，所述的气管中间段缠绕在绕管轮上；

所述的绕尺轮和绕管轮均固定在第三轴体上，所述的第三轴体上还固定有第三齿轮和第三副齿轮，所述的第三齿轮和第三副齿轮分别与第一同步齿带、第一副同步齿带的驱动齿部分啮合传动；

所述的第一轴体、第四轴体、第五轴体两端分别与壳体两侧可转动装配固定。

作为本发明的进一步改进，在滑板两侧上设置有凸出端和缩进端，所述的凸出端和缩进端之间形成缺槽；

在安装槽与滑板两侧对应位置上设置卡槽，所述的卡槽与凸出端卡合装配且卡槽上方的凸缘部分与缺槽配合。

作为本发明的进一步改进，还包括切换组件，所述的切换组件，包括设置在第五轴体一端的花键轴部分，所述的花键轴部分截面为花键；

所述的花键轴上套有切换筒，所述的切换筒内设有能与花键轴部分配合的花键孔，且所述的切换筒还分为：外伸段、限位圈、外花键段、切断段；

所述的外伸段穿过壳体且穿出壳体一端与限位帽连接固定，所述的外花键段与从动带轮的带轮花键孔装配。

作为本发明的进一步改进，所述的切断段为套在切换筒上的轴承，所述轴承的外圈与从动带轮的带轮花键孔配合。

作为本发明的进一步改进，在从动带轮上固定有指示针，同时在壳体上设置指示槽，所述的指示针伸入指示槽中但未穿过指示槽；在限位帽上设置有标记。

作为本发明的进一步改进，所述的指示槽由装配环外侧面与壳体内侧面共同构成，且所述的装配环通过连接块与壳体连接固定。

作为本发明的进一步改进，在第四轴体伸出壳体的部分上固定有一个主动齿轮，且该伸出部分穿过主动齿轮后再穿过罩壳且穿出罩壳一端与粗调旋钮连接固定；

所述的主动齿轮与中间齿轮啮合且所述的中间齿轮与精调齿轮啮合，所述的精调齿轮安装在精调轴上，且所述的精调轴穿出罩壳，且穿出罩壳端与精调旋钮连接固定；

所述的第四轴体在主动齿轮一端的端部上固定有粗调旋钮；

所述的精调齿轮的直径小于主动齿轮直径。

作为本发明的进一步改进，所述的第一同步齿带和第一副同步齿带、第四同步齿带和第四副同步齿带结构相同，其内侧为能与同步带轮啮合传动的同步带部分、外侧为能与齿轮啮合的驱动齿部分。

作为本发明的进一步改进，所述的第二齿条和第二副齿条、第三齿条和第三副齿条与齿轮接触面均为卡齿部分，所述的卡齿部分与齿轮啮合传动。

作为本发明的进一步改进，所述的所述的第二齿条和第二副齿条、第三齿条和第三副齿条均固定在顶板内侧。

作为本发明的进一步改进，所述的滑板厚度不超过安装槽深度的2/3。

作为本发明的进一步改进，在安装槽底侧面处设置有缓冲板，所述的缓冲板高度应至少超过滑板厚度的1/4，且不大于安装槽深度。

作为本发明的进一步改进，所述的缓冲板采用弧形弹性板制成。

作为本发明的进一步改进，在气泵与外接气管之间设置有供气组件；

所述的供气组件，包括，连接气管、第三轴体中空段，所述的连接气管一端与气泵排气口连接，另一端与第三轴体中空段端部可转动连接，所述的绕管轮固定在第三轴体中空段上，且气管一端穿过绕管轮和第三轴体中空段外壁与第三轴体中空段中空部分连通；所述的气管中间部分缠绕在绕管轮上，且另一端与气管连接块内的气道连通，所述的气道穿入实验载板边缘且与外接气管连通。

作为本发明的进一步改进，所述的滑块底部设有容纳腔，且从滑块顶部到容纳腔之间设有导气通孔，所述的导气通孔与外接气管配合导气。

作为本发明的进一步改进，在实验载板的装载侧板上表面设置有刻度，同时在滑板上设置有指示线。

作为本发明的进一步改进，在装载侧板上设置有托块，所述的外接气管由托块托举。

作为本发明的进一步改进，在滑板靠近第一支撑板一端上设置有挂板，所述的挂板上设置有挂孔。

作为本发明的进一步改进，在气管上可以设置有压力表。

作为本发明的进一步改进，第一支撑板和第二支撑板与实验载板具有一定的夹角(与实验载板不平行)，这能够防止第一支撑板和第二支撑板对实验载板的角度处于锁死角度，从而无法驱动实验载板。

一种基于上述实验装置的实验方法，包括如下步骤：

1、测试自锁及解锁角度

S11，将滑块放置于滑板上，并使滑块的一端面与指示线平齐；

S12，通过限位帽将切换筒推入，使从动带轮与切断段配合以切断从动带轮对第五轴体的驱动力；

S13，转动粗调旋钮或精调旋钮使第一支撑板将实验载板一端向上顶高，使滑板倾斜以形成斜面；

S14，继续驱动第四轴体转动，使滑板斜度增加，直到滑块在滑板上产生滑动；

S15，读取滑块滑动时软尺900的刻度，此刻度就是L3长度；

S16，由于L1、L2尺寸已经是定了的，可以预先测出，再加上L3长度值就可以计算出L1和L2的第一夹角a；

S17，通过第一夹角a反推出第二夹角b的角度，并通过已知的滑块质量计算出第一重力分力G1、第二重力分力G2；

S18，通过已知的滑板的摩擦系数计算出滑块滑动时的摩擦力F，这个摩擦力F就是滑块与滑板间的动摩擦力，也就是最大静摩擦力。

2、测试气体浮力

S21,重复S11-S13的步骤，将第一夹角a调整到不超过滑块滑动时候的值；S22，将外接气管与导气通孔接通，气泵向气管供气，直到滑块产生滑动，记下此时压力表的气压值，并通过气压值与外接气管的直径计算出气压值；S23，通过气压值与容纳腔截面积计算出容纳腔内的气体在第二重力分力G2反方向上的预算浮力；

S24，重复S15-S18的步骤，计算出对滑块充气前的静摩擦力，并通过S18中的动摩擦力减去静摩擦力获得差值摩擦力，通过差值摩擦力除以滑板摩擦系数计算出S22中滑块滑动时对滑板的浮动压力；

S25，将S17中的第二重力分力减去浮动压力获得实际浮力；

S26，对比实际浮力与预算浮力，在考虑误差的情况下考察学生的计算结果。

3、测试弹簧弹性系数

S31，弹簧一端与挂孔挂紧，另一端与滑块一侧面挂紧；读取此时弹簧的初始长度；

S32，将调整滑板斜度，直到滑块再次发生滑动，测量此时弹簧的长度，并计算弹簧的伸长量；

S33，计算出此时的第一重力分力G1，第一重力分力G1减去滑块与滑板的动摩擦力F就是弹簧的弹力；

S34，通过弹簧的弹力和伸长量就可以计算出弹性系数。

4、直接测试滑块与滑板的动摩擦力

S41，将切换筒恢复原位，使外花键段与带轮花键孔配合，然后驱动第四轴体，直到实验载板上升到需要的高度；

S42，将滑块放置在滑板上，然后用拉力计的挂钩与滑块钩紧，然后用拉力计拉动滑块在滑板上滑动，读取此时拉力计上的读数，这个读数就是滑块与滑板的实测动摩擦力。

本发明的有益效果是：

1、本发明功能较为全面，能够进行多种力学实验；

2、本发明能够实时读取软尺尺寸，为后续的力学计算提供核心数值，使得学生能够深入进行实验、计算，从而提高教学效果。

3、本发明能够实现滑板的更换，从而能够进行多种摩擦系数下的力学实验，大大拓宽了实验范围。

4、本发明能够实现实验载板水平升降，为不同身高的学生提供舒适的实验高度。

5、本发明的实验方法能够实现多种力学现象的演示、参数采集、计算等，通过实际的操作、测试、计算，大大强化学生对相关力学知识的掌握。

附图说明

图1是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的结构示意图。

图2是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的结构示意图。

图3是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的结构示意图。

图4是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的结构示意图。

图5是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的结构示意图。

图6是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的结构示意图。

图7是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的结构示意图。

图8是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的结构示意图。

图9是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的结构示意图。

图10是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的使用状态图。

图11是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的使用状态图。

图12是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的使用状态图。

图13是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的使用状态图。

图14是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的使用状态图。

图15是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的使用状态图。

图16是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的使用状态图。

图17是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的局部结构示意图。

图18是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的局部结构示意图。

图19是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的局部结构示意图。

图20是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的切换组件零件爆炸图。

图21是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的切换组件零件爆炸图。

图22是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的供气组件结构示意图。

图23是本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的滑块仰视图。

图24本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的参数测量示意图。

图25本发明一种力学综合实验装置具体实施方式的力学计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1至图19，一种力学综合实验装置，包括，壳体100、顶板101、实验载板200，所述的实验载板200两端分别设有载板铰接板201和载板铰接块205，所述的载板铰接板201通过第七轴体Z701与第二支撑板400的支撑板铰接块401装配并形成铰接结构；

所述的第二支撑板400在远离支撑板铰接块401一端上设有支撑板连接块402，第六轴体Z601穿过支撑板连接块402上的通孔与支撑板连接块402装配，所述的第六轴体Z601两端分别固定有第六齿轮C601和第六副齿轮C602；

所述的第六齿轮C601上下两端分别与第四同步齿带B401和第三齿条B301啮合，且所述的第六齿轮C601可与第四同步齿带B401和第三齿条B301啮合转动；

所述的第六副齿轮C602两端分别与第四副同步齿带B402和第三副齿条B302啮合，且所述的第六副齿轮C602可与第四副同步齿带B402和第三副齿条B302啮合转动；

所述的第四同步齿带B401两端分别与第五带轮C501和第八带轮C801配合并形成带传动结构；

所述的第五带轮C501固定在第五轴体Z501一端，所述的第五轴体另一端固定有第五副带轮C502；

所述的第八带轮C801固定在第八轴体Z801一端，所述的第八轴体Z801另一端固定有第八副带轮C802；

所述的第五副带轮C502和第八副带轮C802分别与第四副同步齿带B402两端配合并形成带传动结构；

所述的第五轴体Z501靠近第五带轮C501一端上还设有花键轴部分Z5011，所述的花键轴部分Z5011上套有切换筒A400，所述的切换筒A400上套有从动带轮A302，所述的从动带轮A302通过动力皮带A501与主动带轮A303配合形成带传动结构；

所述的主动带轮A303固定在第四轴体Z401上，所述的第四轴体Z401上还设有第四带轮C401和第四副带轮C402、主动齿轮A203；

所述的第四带轮C401和第四副带轮C402分别与第一同步齿带B101和第一副同步齿带B102一端配合，所述的第一同步齿带B101和第一副同步齿带B102另一端分别与第一带轮C101和第一副带轮C102配合并形成带传动结构；

所述的第一带轮C101和第一副带轮C102均安装在第一轴体Z101上；

所述的第一同步齿带B101和第一副同步齿带B102外侧上的驱动齿部分B02均与第二齿轮C201和第二副齿轮C202啮合，所述的第二齿轮C201和第二副齿轮C202还分别与第二齿条B201和第二副齿条B202啮合，且所述的第二齿轮C201和第二副齿轮C202分别与第一同步齿带B101和第一副同步齿带B102、第二齿条B201和第二副齿条B202啮合转动；

所述的第二齿轮C201和第二副齿轮C202均安装在第二轴体Z201上，所述的第二轴体Z201穿过第一支撑板300上的第一支撑连接块301与第一支撑板300可转动装配；

所述的第一支撑板300远离第一支撑连接块301一端通过第九轴体Z901与载板铰接块205装配并形成铰链结构；

所述的实验载板200上还设有安装槽203、两侧设有软尺安装块206和气管连接块207；

所述的安装槽203中安装有滑板600，所述的滑板600上放置有用于实验的滑块500；

所述的软尺安装块206与软尺900一端连接固定，所述的气管连接块207与气管800一端连通；

所述的软尺900上刻有刻度且另一端缠绕在绕尺轮D201上；

所述的气管800用于导气，且其另一端与气泵D101排气口连通，所述的气管800中间段缠绕在绕管轮D103上；

所述的绕尺轮D201和绕管轮D103均固定在第三轴体Z301上，所述的第三轴体Z301上还固定有第三齿轮C301和第三副齿轮C302，所述的第三齿轮C301和第三副齿轮C302分别与第一同步齿带B101、第一副同步齿带B102的驱动齿部分B02啮合传动；

所述的第一轴体Z101、第四轴体Z401、第五轴体Z501两端分别与壳体100两侧可转动装配固定。

当转动第四轴体Z401时，第四轴体Z401会通过第四带轮C401和第四副带轮C402带动第一同步齿带B101和第一副同步齿带B102转动，所述的第一同步齿带B101和第一副同步齿带B102又会带动第一轴体Z101和第三轴体Z301转动；

第一同步齿带B101和第一副同步齿带B102还会驱动与其啮合的第二齿轮C201和第二副齿轮C202转动，当第二齿轮C201和第二副齿轮C202转动时，由于第二齿条B201和第二副齿条B202固定不动，故第二轴体Z201会往第一同步齿带B101和第一副同步齿带B102转动方向移动，而第二轴体Z201移动时，就会带动第一支撑板300通过第九轴体Z901将实验载板200一端向上顶起；

第一同步齿带B101和第一副同步齿带B102转动时，其还能通过第三齿轮C301和第三副齿轮C302带动第三轴体Z301同步转动，这能够达到气管800和软尺900随着实验载板200的升降而同步放松或绕回，防止气管800和软尺900被扯断或者缠绕；

同时，所述的第四轴体Z401还会通过动力皮带A501带动第五轴体Z501转动，第五轴体Z501带动第四同步齿带B401和第四副同步齿带B402转动，所述的第四同步齿带B401和第四副同步齿带B402又带动第六齿轮C601和第六副齿轮C602转动，由于第三齿条B301固定不动，故第六齿轮C601和第六副齿轮C602就会带动第六轴体在第四同步齿带B401和第四副同步齿带B402转动方向上移动，而第六轴体Z601移动时就会推动第二支撑板400使第二支撑板400通过第七轴体Z701将实验载板200另一端顶起。

参见图13，进一步地，为了滑板600与安装槽203之间装配得更加稳固，可以在滑板600两侧上设置凸出端611和缩进端612，所述的凸出端611和缩进端612之间形成缺槽613；

同时，在安装槽203与滑板两侧对应位置上设置卡槽211，所述的卡槽211能与凸出端611卡合装配且卡槽211上方的凸缘部分212正好与缺槽613配合。这种结构能够在实验载板600倾斜时防止滑板脱落或者倒出。

进一步地，参见图17-图21，所示的结构为切换组件的结构。由于在进行自锁与解锁实验时，需要滑板倾斜，这就要求第一支撑板300或者第二支撑板400中只能有一块板工作，这样就能够使实验载板一端升起，使滑板倾斜。为了实现上述功能，本发明采用了切换组件，且通过切换组件来切断或者连通从动带轮A302对第五轴体Z501的驱动力。

所述的切换组件，包括设置在第五轴体Z501一端的花键轴部分Z5011，所述的花键轴部分Z5011截面为花键；

所述的花键轴Z5011上套有切换筒A400，所述的切换筒A400内设有能与花键轴部分Z5011配合的花键孔A404，且所述的切换筒A400还分为：外伸段A401、限位圈A402、外花键段A403、切断段A405；

所述的外伸段A401穿过壳体100且穿出壳体100一端与限位帽A101连接固定，所述的外花键段A403与从动带轮A302的带轮花键孔A3021装配。

需要切断从动带轮A302对第五轴体Z501的驱动力时，只需要按住限位帽A101，使限位帽A101将切换筒A400向花键轴部分Z5011滑动，直到限位帽A101与壳体100外侧面接触即可；

这个过程中，外花键段A403会脱离带轮花键孔A3021,，同时切断段A405与带轮花键孔A3021装配，由于切断段A405没有与带轮花键孔A3021卡合装置，故从动带轮A302就无法带动第五轴体Z501转动，这就实现了切断从动带轮A302对第五轴体Z501的驱动力。当然，需要连通从动带轮对第五轴体Z501的驱动力时，只需要通过限位帽A101将切换筒A400外拉，直到限位圈A402与壳体100内侧接触即可，此时外花键段A403正好恢复与带轮花键孔A3021装配。

更进一步地，为了使从动带轮A302在与切断段A405配合时完全不驱动切换筒A400，可以将切断段A405直接做成套在切换筒A400上的轴承，使此轴承的外圈与从动带轮A302的带轮花键孔A3021配合。

更进一步地，在切断段A405与带轮花键孔A3021配合后，使带轮花键孔A3021与外花键段A403恢复配合时，由于从动带轮A302已经发生转动，这就导致带轮花键孔A3021与外花键段A403有可能不能直接拉回配合，而需要找准带轮花键孔A3021与外花键段A403的原始位置，然后才能拉回。但是，由于它们都是封装在壳体100中，无法直视，因此找准的过程是十分漫长的。为了克服这一缺陷，可以在从动带轮A302上固定指示针A601，同时在壳体100上设置指示槽A110，所述的指示针伸入指示槽中但未穿过指示槽；同时，在限位帽A101上设置标记，当外花键段与带轮花键孔A3021配合时，记下该标记与指示针A601相对位置。在恢复外花键段与带轮花键孔A3021配合时，只需要先找准指示针A601与标记的相对位置即可实现外花键段快速与带轮花键孔A3021配合。

所述的指示槽A110由装配环A701外侧面与壳体100内侧面共同构成，且所述的装配环A701通过连接块A702与壳体100连接固定。

进一步地，为了能够实现第四轴体Z401的精确转动，可以在第四轴体Z401伸出壳体100的部分上固定一个主动齿轮A203，且该伸出部分穿过主动齿轮后再穿过罩壳102且穿出罩壳102一端与粗调旋钮A101连接固定；

所述的主动齿轮A203与中间齿轮A202啮合且所述的中间齿轮A202与精调齿轮A201啮合，所述的精调齿轮A201安装在精调轴上，且所述的精调轴穿出罩壳102，且穿出罩壳102端与精调旋钮A103连接固定；

所述的第四轴体Z401在主动齿轮A203一端的端部上固定有粗调旋钮A102；

所述的精调齿轮A201的直径小于主动齿轮A203直径。

进一步地，所述的第一同步齿带B101和第一副同步齿带B102、第四同步齿带B401和第四副同步齿带B402结构相同，其内侧为能与同步带轮啮合传动的同步带部分B01、外侧为能与齿轮啮合的驱动齿部分B02。这种结构能够使同步齿带直接驱动齿轮转动，从而简化驱动齿轮的传动结构。

进一步地，所述的第二齿条B201和第二副齿条B202、第三齿条B301和第三副齿条B302与齿轮接触面均为卡齿部分B03，所述的卡齿部分B03能与齿轮啮合传动。

更进一步地，所述的所述的第二齿条B201和第二副齿条B202、第三齿条B301和第三副齿条B302均固定在顶板101内侧。

进一步地，为了防止滑块500在滑板600上滑动时，滑块滑出安装槽203,造成滑块损坏，可以将滑板600厚度做成不超过安装槽深度的2/3，这样就能保证滑块不会滑出滑板600而始终在安装槽203内。

更进一步地，在进行解锁实验时滑块500会从滑板600顶部滑向滑板600底部，如果滑块与安装槽底侧面发生碰撞的话也会造成滑块500的损坏，故可在安装槽203底侧面处设置一缓冲板700，所述的缓冲板700高度应至少超过滑板厚度的1/4，且不大于安装槽深度。在滑块下滑是，滑块会首先与缓冲板700接触，由于缓冲板采用弹性软质材料制成，故其能够防止滑块被撞坏。

所述的缓冲板700可以采用弧形弹性板制成，如弹性橡胶、弹性塑料等。

进一步地，参见图6和图22，为了方便气泵D101将气输送到气管800再输送到，而且经过绕管轮D103也不会发生缠绕，可以在气泵与外接气管D301之间设置供气组件；

所述的供气组件，包括，连接气管D102、第三轴体中空段Z3011，所述的连接气管D102一端与气泵D101排气口连接，另一端与第三轴体中空段Z3011端部可转动连接，所述的绕管轮D103固定在第三轴体中空段Z3011上，且气管800一端穿过绕管轮D103和第三轴体中空段Z3011外壁与第三轴体中空段Z3011中空部分连通；所述的气管800中间部分缠绕在绕管轮D103上，且另一端与气管连接块207内的气道D401连通，所述的气道D401穿入实验载板200边缘且与外接气管D301连通。

进一步地，参见图23，所述的滑块500底部设有一容纳腔502，且从滑块500顶部到容纳腔之间设有导气通孔501，所述的导气通孔501可与外接气管D301配合导气。当外接气管D301向容纳腔502中输入高压气体时，能够检测出该气体对滑块的浮力。

进一步地，为了在进行实验时能够快速读取滑块在滑板上的位置、滑块在实验载板上的位置，以方便进行计算，可以在实验载板200的装载侧板209上表面设置刻度204，同时在滑板600上设置指示线601，通过指示线601与刻度204的对应位置就可读出指示线601在实验载板200上的位置，而在进行实验时将滑块一端面与指示线601对其就可以确定滑块在实验载板200上的位置。

进一步地，为了降低外接气管D301在与滑块500连接时的影响，可以在装载侧板209上设置托块202，所述的外接气管D301由托块托举。

进一步地，可在滑板600靠近第一支撑板300一端上设置挂板602，所述的挂板602上设置有挂孔，所述的挂孔能够与外部试样的挂钩挂合以进行其它力学实验。

进一步地，在气管上可以设置压力表，通过压力表与气管直径可计算出气管内的压强。

参见图24-图25，一种基于上述实验装置的实验方法，包括如下步骤：

5、测试自锁及解锁角度

S11，将滑块放置于滑板上，并使滑块的一端面与指示线平齐；

S12，通过限位帽将切换筒推入，使从动带轮与切断段配合以切断从动带轮

对第五轴体的驱动力；

S13，转动粗调旋钮或精调旋钮使第一支撑板将实验载板一端向上顶高，使

滑板倾斜以形成斜面；

S14，继续驱动第四轴体转动，使滑板斜度增加，直到滑块在滑板上产生滑动；

S15，读取滑块滑动时软尺900的刻度，此刻度就是L3长度；

S16，由于L1、L2尺寸已经是定了的，可以预先测出，再加上L3长度值就可以计算出L1和L2的第一夹角a；L1为第七轴体Z701的轴线至滑块500最靠近第七轴体Z701一侧端面沿着实验载板的最短间距；L2为第七轴体Z701轴线与滑块500最靠近第七轴体Z701一侧端面在水平面方向上的最短间距。参见图24，本实施例中，可以将滑块500最靠近第七轴体Z701的端面作为一个假想的假想斜面，而L1是第七轴体Z701的轴线沿着实验载板200达到这个假想斜面的的最短间距，L2是第七轴体Z701的的轴线沿着水平面与假想斜面的最短间距，而软尺900处于假想斜面处，因此L1、L2、L3构成一个三角形，后续的计算只需要结合三角函数即可。

S17，通过第一夹角a反推出第二夹角b的角度，并通过已知的滑块质量计算出第一重力分力G1、第二重力分力G2；第一重力分力G1、第二重力分力G2为滑块重力的两个分力，第一重力分力G1为沿着实验载板200的分力(滑块与实验载板200摩擦力的反向)，第二重力分力G2为垂直于实验载板200的分力(滑块向实验载板施加的压力)。

S18，通过已知的滑板的摩擦系数计算出滑块滑动时的摩擦力F，这个摩擦力F就是滑块与滑板间的动摩擦力，也就是最大静摩擦力。

通过上述过程，可以简单直观地向学生演示自锁、解锁，以及计算摩擦力、重力分力等，通过实践与理论结合，从而达到较好的教学效果。

6、测试气体浮力

S21,重复S11-S13的步骤，将第一夹角a调整到不超过滑块滑动时候的值；S22，将外接气管与导气通孔接通，气泵向气管供气，直到滑块产生滑动，记下此时压力表的气压值，并通过气压值与外接气管的直径计算出气压值；S23，通过气压值与容纳腔截面积计算出容纳腔内的气体在第二重力分力G2反方向上的预算浮力；

S24，重复S15-S18的步骤，计算出对滑块充气前的静摩擦力，并通过S18中的动摩擦力减去静摩擦力获得差值摩擦力，通过差值摩擦力除以滑板摩擦系数计算出S22中滑块滑动时对滑板的浮动压力；

S25，将S17中的第二重力分力减去浮动压力获得实际浮力；

S26，对比实际浮力与预算浮力，在考虑误差的情况下考察学生的计算结果。通过上述步骤，可以有效锻炼学生对自锁、摩擦力、重力分力、气体浮力、压力压强等理论知识及相关计算能力，能够大大提高学生的印象和对这些知识的理解。

7、测试弹簧弹性系数

S31，弹簧一端与挂孔挂紧，另一端与滑块一侧面挂紧；读取此时弹簧的初始长度；

S32，将调整滑板斜度，直到滑块再次发生滑动，测量此时弹簧的长度，并计算弹簧的伸长量；

S33，计算出此时的第一重力分力G1，第一重力分力G1减去滑块与滑板的动摩擦力F就是弹簧的弹力；

S34，通过弹簧的弹力和伸长量就可以计算出弹性系数。

通过上述步骤可以让学生实际操作、理解、计算弹簧的弹力、弹性系数等知识。

8、直接测试滑块与滑板的动摩擦力

S41，将切换筒恢复原位，使外花键段与带轮花键孔配合，然后驱动第四轴

体，直到实验载板上升到需要的高度；

S42，将滑块放置在滑板上，然后用拉力计的挂钩与滑块钩紧，然后用拉力计拉动滑块在滑板上滑动，读取此时拉力计上的读数，这个读数就是滑块与滑板的实测动摩擦力。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种力学综合实验装置，包括，壳体、顶板、实验载板，其特征是：所述的实验载板两端分别设有载板铰接板和载板铰接块，所述的载板铰接板通过第七轴体与第二支撑板的支撑板铰接块装配并形成铰接结构；

所述的第二支撑板在远离支撑板铰接块一端上设有支撑板连接块，第六轴体穿过支撑板连接块上的通孔与支撑板连接块装配，所述的第六轴体两端分别固定有第六齿轮和第六副齿轮；

所述的第六齿轮上下两端分别与第四同步齿带和第三齿条啮合，且所述的第六齿轮可与第四同步齿带和第三齿条啮合转动；

所述的第六副齿轮两端分别与第四副同步齿带和第三副齿条啮合，且所述的第六副齿轮可与第四副同步齿带和第三副齿条啮合转动；

所述的第四同步齿带两端分别与第五带轮和第八带轮配合并形成带传动结构；

所述的第五带轮固定在第五轴体一端，所述的第五轴体另一端固定有第五副带轮；

所述的第八带轮固定在第八轴体一端，所述的第八轴体另一端固定有第八副带轮；

所述的第五副带轮和第八副带轮分别与第四副同步齿带两端配合并形成带传动结构；

所述的第五轴体靠近第五带轮一端上还设有花键轴部分，所述的花键轴部分上套有切换筒，所述的切换筒上套有从动带轮，所述的从动带轮通过动力皮带与主动带轮配合形成带传动结构；

所述的主动带轮固定在第四轴体上，所述的第四轴体上还设有第四带轮和第四副带轮、主动齿轮；

所述的第四带轮和第四副带轮分别与第一同步齿带和第一副同步齿带一端配合，所述的第一同步齿带和第一副同步齿带另一端分别与第一带轮和第一副带轮配合并形成带传动结构；

所述的第一带轮和第一副带轮均安装在第一轴体上；

所述的第一同步齿带和第一副同步齿带外侧上的驱动齿部分均与第二齿轮和第二副齿轮啮合，所述的第二齿轮和第二副齿轮还分别与第二齿条和第二副齿条啮合，且所述的第二齿轮和第二副齿轮分别与第一同步齿带和第一副同步齿带、第二齿条和第二副齿条B202啮合转动；

所述的第二齿轮和第二副齿轮均安装在第二轴体上，所述的第二轴体穿过第一支撑板上的第一支撑连接块与第一支撑板可转动装配；

所述的第一支撑板远离第一支撑连接块一端通过第九轴体与载板铰接块装配并形成铰链结构；

所述的实验载板上还设有安装槽、两侧设有软尺安装块和气管连接块，所述的安装槽中安装有滑板；

所述的软尺安装块与软尺一端连接固定，所述的气管连接块与气管一端连通；

所述的软尺上刻有刻度且另一端缠绕在绕尺轮上；

所述的气管用于导气，且其另一端与气泵排气口连通，所述的气管中间段缠绕在绕管轮上；

所述的绕尺轮和绕管轮均固定在第三轴体上，所述的第三轴体上还固定有第三齿轮和第三副齿轮，所述的第三齿轮和第三副齿轮分别与第一同步齿带、第一副同步齿带的驱动齿部分啮合传动；

所述的第一轴体、第四轴体、第五轴体两端分别与壳体两侧可转动装配固定。

2.如权利要求1所述的一种力学综合实验装置，其特征是：在滑板两侧上设置有凸出端和缩进端，所述的凸出端和缩进端之间形成缺槽；

在安装槽与滑板两侧对应位置上设置卡槽，所述的卡槽与凸出端卡合装配且卡槽上方的凸缘部分与缺槽配合。

3.如权利要求1所述的一种力学综合实验装置，其特征是：还包括切换组件，所述的切换组件，包括设置在第五轴体一端的花键轴部分，所述的花键轴部分截面为花键；

所述的花键轴上套有切换筒，所述的切换筒内设有能与花键轴部分配合的花键孔，且所述的切换筒还分为：外伸段、限位圈、外花键段、切断段；

所述的外伸段穿过壳体且穿出壳体一端与限位帽连接固定，所述的外花键段与从动带轮的带轮花键孔装配。

4.如权利要求3所述的一种力学综合实验装置，其特征是：在从动带轮上固定有指示针，同时在壳体上设置指示槽，所述的指示针伸入指示槽中但未穿过指示槽；在限位帽上设置有标记。

5.如权利要求4所述的一种力学综合实验装置，其特征是：所述的指示槽由装配环外侧面与壳体内侧面共同构成，且所述的装配环通过连接块与壳体连接固定。

6.如权利要求1所述的一种力学综合实验装置，其特征是：在第四轴体伸出壳体的部分上固定有一个主动齿轮，且该伸出部分穿过主动齿轮后再穿过罩壳且穿出罩壳一端与粗调旋钮连接固定；

所述的主动齿轮与中间齿轮啮合且所述的中间齿轮与精调齿轮啮合，所述的精调齿轮安装在精调轴上，且所述的精调轴穿出罩壳，且穿出罩壳端与精调旋钮连接固定；

所述的第四轴体在主动齿轮一端的端部上固定有粗调旋钮；

所述的精调齿轮的直径小于主动齿轮直径。

7.如权利要求1所述的一种力学综合实验装置，其特征是：在安装槽底侧面处设置有缓冲板，所述的缓冲板高度应至少超过滑板厚度的1/4，且不大于安装槽深度。

8.如权利要求1所述的一种力学综合实验装置，其特征是：在气泵与外接气管之间设置有供气组件；

所述的供气组件，包括，连接气管、第三轴体中空段，所述的连接气管一端与气泵排气口连接，另一端与第三轴体中空段端部可转动连接，所述的绕管轮固定在第三轴体中空段上，且气管一端穿过绕管轮和第三轴体中空段外壁与第三轴体中空段中空部分连通；所述的气管中间部分缠绕在绕管轮上，且另一端与气管连接块内的气道连通，所述的气道穿入实验载板边缘且与外接气管连通。

9.如权利要求1所述的一种力学综合实验装置，其特征是：所述的安装槽中安装有滑板，所述的滑板上放置有用于实验的滑块；所述的滑块底部设有容纳腔，且从滑块顶部到容纳腔之间设有导气通孔，所述的导气通孔与外接气管配合导气。

10.一种基于权利要求1-9任一所述的实验装置的实验方法，包括如下步骤：

一、测试自锁及解锁角度

S11，将滑块放置于滑板上，并使滑块的一端面与指示线平齐；

S12，通过限位帽将切换筒推入，使从动带轮与切断段配合以切断从动带轮对第五轴体的驱动力；

S13，转动粗调旋钮或精调旋钮使第一支撑板将实验载板一端向上顶高，使滑板倾斜以形成斜面；

S14，继续驱动第四轴体转动，使滑板斜度增加，直到滑块在滑板上产生滑动；

S15，读取滑块滑动时软尺的刻度，此刻度就是L3长度；

S16，第七轴体Z701的轴线至滑块最靠近第七轴体一侧端面沿着实验载板的最短间距为L1；第七轴体的轴线与滑块最靠近第七轴体一侧端面在水平面方向上的最短间距为L2；L1、L2、L3构成三角形，由于L1、L2尺寸已经是定了的，可预先测出，再加上L3长度值就可计算出L1和L2的第一夹角a；

S17，通过第一夹角a反推出第二夹角b的角度，并通过已知的滑块质量计算出第一重力分力G1、第二重力分力G2；第一重力分力G1、第二重力分力G2为滑块重力的两个分力，第一重力分力G1为沿着实验载板的分力，第二重力分力G2为垂直于实验载板的分力；

S18，通过已知的滑板的摩擦系数计算出滑块滑动时的摩擦力F，这个摩擦力F就是滑块与滑板间的动摩擦力，也就是最大静摩擦力；

二、测试气体浮力

S21,重复S11-S13的步骤，将第一夹角a调整到不超过滑块滑动时候的值；

S22，将外接气管与导气通孔接通，气泵向气管供气，直到滑块产生滑动，记下此时压力表的气压值，并通过气压值与外接气管的直径计算出气压值；

S23，通过气压值与容纳腔截面积计算出容纳腔内的气体在第二重力分力G2反方向上的预算浮力；

S24，重复S15-S18的步骤，计算出对滑块充气前的静摩擦力，并通过S18中的动摩擦力减去静摩擦力获得差值摩擦力，通过差值摩擦力除以滑板摩擦系数计算出S22中滑块滑动时对滑板的浮动压力；

S25，将S17中的第二重力分力减去浮动压力获得实际浮力；

S26，对比实际浮力与预算浮力，在考虑误差的情况下考察学生的计算结果；

三、测试弹簧弹性系数

S31，弹簧一端与挂孔挂紧，另一端与滑块一侧面挂紧；读取此时弹簧的初始长度；

S32，将调整滑板斜度，直到滑块再次发生滑动，测量此时弹簧的长度，并计算弹簧的伸长量；

S33，计算出此时的第一重力分力G1，第一重力分力G1减去滑块与滑板的动摩擦力F就是弹簧的弹力；

S34，通过弹簧的弹力和伸长量就可以计算出弹性系数；

四、直接测试滑块与滑板的动摩擦力

S41，将切换筒恢复原位，使外花键段与带轮花键孔配合，然后驱动第四轴体，直到实验载板上升到需要的高度；

S42，将滑块放置在滑板上，然后用拉力计的挂钩与滑块钩紧，然后用拉力计拉动滑块在滑板上滑动，读取此时拉力计上的读数，这个读数就是滑块与滑板的实测动摩擦力。

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