CN106409075A - 一种用于研究小车运动规律的实验器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于研究小车运动规律的实验器，属于教学实验器材技术领域。包括小车、底座，还包括固定于底座上的可拆卸的直线导轨、分别设于直线导轨两端的前挡板、后挡板以及间隔设置于直线导轨中部的两个可沿直线导轨两侧轴向移动的光电门，直线导轨上设置小车，前挡板朝向小车的一侧固定缓冲件，其背离小车的一侧固定滑轮，小车前端设有牵引线，当小车运动时，牵引线与直线导轨轴线平行并搭接滑轮朝垂向下方延伸，其末端固定牵引块，小车顶端设有用于限位配重块的限位装置，其底端设有用于调节滚轮数量的调节装置。该实验器不仅测量精确度高，而且可以研究小车速度与拉力、摩擦面、小车质量、小车与摩擦面接触面积的关系。

Description

一种用于研究小车运动规律的实验器

技术领域

本发明涉及一种用于研究小车运动规律的实验器，属于教学实验器材技术领域。

背景技术

在传统的教学活动中，为研究运动规律，通常采用打点计时器牵拉纸带记录小车运动情况，测量各点之间的距离从而得出结论，目前多使用计时器、尺子来进行实验，误差很大。并且，现有的演示运动规律的实验器多是研究拉力、小车质量、摩擦力对小车运动状态的影响，并没有研究接触面积这一因素与小车的运动关系。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述问题，提供一种实验器，不仅测量精确度高，而且可以研究小车速度与拉力、摩擦面、小车质量、小车与摩擦面接触面积的关系，一种器材多种应用，使用方便，操作简单。

为了达到以上目的，本发明的技术方案如下：一种用于研究小车运动规律的实验器，包括小车、底座，其特征在于：还包括固定于底座上的可拆卸的直线导轨、分别设于直线导轨两端的前挡板、后挡板以及间隔设置于直线导轨中部的两个可沿直线导轨两侧轴向移动的光电门，所述直线导轨上设置小车，所述前挡板朝向小车的一侧固定缓冲件，其背离小车的一侧固定滑轮，所述小车前端设有牵引线，当小车运动时，所述牵引线与直线导轨轴线平行并经滑轮朝垂向下方延伸，其末端固定牵引块，所述小车顶端设有用于限位配重块的限位装置，其底端设有用于调节滚轮数量的调节装置。

小车沿直线导轨做直线运动，直线导轨可拆卸，使用时，可以依据需要选取不同摩擦面的导轨，用于研究摩擦力与小车运动的关系。牵引力方向与小车运动方向保持一致，滑轮用于保持牵引力方向不变，以保证实验精确度。两光电门可以测量出小车在一段距离内的运动时间，从而得出小车的运动速度，光电门将数据发送给采集器，再传输至计算机，显示出测量结果。

进一步地，所述小车底部设有若干对通过轴承与轮轴连接的滚轮，轮轴两端具有卡槽，所述卡槽内卡有与之相适配的卡圈，所述小车底板上对应卡圈位置处设有长孔；所述轮轴上方设有垂向施力的并与轮轴抵接的压簧，所述调节装置设于小车底板上部，包括推拉杆和固定于推拉杆末端的滑块，所述滑块上表面设有与轮轴相匹配的限位槽，当滑块卡在轮轴与小车底板之间时，轮轴嵌入限位槽内，当滑块抽出时，小车的滚轮触地，所述卡圈嵌入长孔内。

滚轮通过轴承与轮轴连接，小车运动时，轴承转动而轮轴不转动。轮轴上方设有压簧，压簧抵接轮轴，持续不断地施加垂向向下的力，保证滚轮能始终着地。轮轴上还设有卡圈，当轮轴被压簧推至贴近小车底板的位置处时，卡圈嵌入底板上的长孔内，起到限定轮轴位置的作用，保证小车平稳运行。卡圈可以采用环状卡圈或者C形卡圈，C形的卡圈便于安装。当需要减少小车滚轮数量时，推动推拉杆，使得滑块插入轮轴下部，将轮轴向上顶起，则滚轮即离开地面呈悬空状态，滑块上还设有限位槽，轮轴正好嵌在限位槽内，起到一定程度的限位作用。滑块是截面呈近似L形的形状，不仅具有贴近底板的水平部分，还具有向上凸起的竖直部分，可直接设置在两个相邻的轮轴之间，不会脱离小车也无须抽离小车，这样使得实验小车更加整体化、一体化，省去过多的零件组装过程。在实验过程中，可通过推拉推拉杆改变实验条件，探究小车轮子与小车所受摩擦力的关系。

进一步地，配重块质量取值范围为0g～100g，牵引块质量取值范围为10g～50g。经发明人多次试验，该重量范围满足在一定长度的直线导轨上完成演示，例如20cm到80cm长度范围内。若小车及配重块质量过大，则可能出现牵引块难以拉动小车的情况，若牵引块重量过大，则小车在运动过程中可能出现失稳的情况，所以合适的拉力和合适的小车配重可以提高实验的精确性，降低实验误差。

进一步地，所述前挡板上设有线槽，所述牵引线穿过线槽搭接于滑轮上。为了起到较好的阻挡作用，前挡板可能会设置得比较高，此时，在前挡板上开设线槽，则牵引线可悬空穿过线槽，不仅可以保持小车牵引力方向与运动方向一致，并且牵引线与线槽不接触，避免了摩擦力的影响，降低实验误差。

进一步地，所述底座上沿轴向设有刻度贴。底座上的刻度贴用来标示两光电门之间的距离，使用时，为达到较好的测量效果，可依据需要选择两光电门的摆放位置及二者之间的距离长短。

进一步地，所述直线导轨通过固定夹固定于底座上。固定夹紧固导轨，防止其在小车运动过程中偏移、移动，影响实验精确度。

进一步地，所述光电门通过紧固件紧固于底座上。通过安装或者拆卸紧固件实现光电门的移动和固定。

进一步地，所述缓冲件为缓冲弹簧。缓冲弹簧价格低廉且具有较好的缓冲效果。

本发明的优点如下：1.实验器材为一体化结构，使用时，无需花费过多时间组装；便于课堂演示；2.该实验器材不仅可以研究小车速度与拉力、小车质量、摩擦力的关系，而且可以探究小车与摩擦面的接触面积(轮子数量)是否对小车的运动状态造成影响；3.采用光电门测定小车移动一段距离的时间，测量精度高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为实施例一结构示意图；

图2为滑块抬起中间轮轴时小车底部结构示意图；

图3为滑块未抬起中间轮轴时小车底部结构示意图；

图4为滑块结构示意图。

图中：1小车，2底座，3直线导轨，4前挡板，5后挡板，6光电门，7缓冲弹簧，8滑轮，9牵引线，10配重块,11线槽，12固定夹，13砝码桶，14轮轴，15推拉杆，16滑块，17限位槽，18小车底板，19滚轮，20砝码杆，21压簧，22卡圈，23长孔。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例一

图1至图4示出了本发明的第一种实施方式，如图1所示，一种用于研究小车运动规律的实验器，包括小车1、底座2，还包括通过固定夹12固定于底座2上的可拆卸的长800mm的直线导轨3、分别设于直线导轨两端的前挡板4、后挡板5以及间隔设置于直线导轨中部的两个可沿直线导轨两侧轴向移动的光电门6。固定夹12为垂直式夹钳。直线导轨3上设置小车1，前挡板4朝向小车的一侧固定两个对称分布的缓冲弹簧7，其背离小车的一侧固定滑轮8，小车1前端设有牵引线9，当小车运动时，牵引线9与直线导轨轴线平行并搭接滑轮8朝垂向下方延伸，其末端固定的砝码桶13，砝码桶内加装砝码以改变小车拉力。砝码桶13与其内装入的砝码共同作为牵引块拉动小车运动，其内装入的砝码质量取值范围为10g～50g，而砝码桶的质量几乎忽略不计。前挡板4上设有线槽11，所述牵引线9悬空穿过线槽11搭接于滑轮8上。小车顶端设有用于固定配重块10的砝码杆20，砝码杆20直径为4.5mm，需要增加小车配重时，将作为配重块10的具孔砝码套在砝码杆20上，配重块质量取值范围为0g～100g。小车底部共设有三对通过轴承与轮轴14连接的滚轮19，如图2、图3所示，轮轴14两端具有卡槽，卡槽内卡有与之相适配的呈C形的卡圈22，小车底板上对应卡圈位置处设有长孔23；轮轴上方设有两个垂向施力的并与轮轴抵接的压簧21，调节装置设于小车底板18上部，包括推拉杆15和固定于推拉杆末端的滑块16。滑块16设置在小车后两个轮轴之间，滑块16上表面设有一条与轮轴14相匹配的限位槽17，当滑块16卡在轮轴与小车底板18之间时，将轮轴14抬起，则小车滚轮悬空；当滑块16抽出时，小车的滚轮19触地，卡圈22嵌入长孔23内。如图4所示，滑块16截面呈近似L形的形状，其不仅具有贴近底板的水平部分，还具有向上凸起的竖直部分，设置在两个轮轴之间，不会脱离小车也无须抽离小车，这样使得实验小车更加整体化、一体化，省去过多的零件组装过程。滑块16头部具有坡度，为楔形设计，便于从轮轴下部的缝隙中插入。当滑块16卡在轮轴与小车底板18之间时，小车抬起小车中间的轮轴，并且轮轴14嵌入限位槽17内，其位置相对固定，保证小车运行的稳定性。当滑块16抽出时，轮轴14在压簧的压力作用下下移，小车的滚轮19触地。在实验过程中，可以选择推进或抽出滑块，将小车触地的滚轮变成4个或者6个，由此可以改变实验条件，探究小车轮子与小车所受摩擦力的关系。底座上沿轴向设有刻度贴，光电门可沿刻度贴移动。

使用时，固定好底座2与直线导轨3，并将两个光电门6沿底座上的刻度贴确定好距离并调整位置使得小车能从其下通过。在砝码桶13内装入砝码。将小车拉至贴近后挡板5的位置后松手，小车在拉力的作用下运动，并依此通过两个光电门，光电门采集数据并由计算机计算出通过时间，则可得出小车运动的平均速度。试验过程中，可改变条件，选择不同的直线导轨3、不同的配重块10、不同的拉力、不同小车轮子数量探究小车运动规律。以下实验数据是采用了喷塑面直线导轨(光滑面)与绒布面直线导轨(摩擦面)得出的。

下列四个表格(表1～表4)为采用该小车演示运动规律的实验数据：

表1

表2

表3

表4

如上述4个实验结果表格，由表1可以看出：在其他条件相同的情况下，小车配重越大，其运动速度越慢。由表2可以看出：在其他条件相同的情况下，摩擦面越粗糙，小车运动速度越慢。由表3可以看出：在其他条件相同的情况下，小车运动速度与小车的轮子数量，即小车与直线导轨的接触面积大小无关。由表4可以看出：在其他条件相同的情况下，小车所受拉力越大，小车运动速度越快。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于研究小车运动规律的实验器，包括小车（1）、底座（2），其特征在于：还包括固定于底座（2）上的可拆卸的直线导轨（3）、分别设于直线导轨两端的前挡板（4）、后挡板（5）以及间隔设置于直线导轨中部的两个可沿直线导轨两侧轴向移动的光电门（6），所述直线导轨（3）上设置小车（1），所述前挡板（4）朝向小车的一侧固定缓冲件，其背离小车的一侧固定滑轮（8），所述小车前端设有牵引线（9），当小车运动时，所述牵引线（9）与直线导轨轴线平行并搭接滑轮（8）朝垂向下方延伸，其末端固定牵引块，所述小车顶端设有用于限位配重块（10）的限位装置，其底端设有用于调节滚轮数量的调节装置。

2.根据权利要求1所述的一种用于研究小车运动规律的实验器，其特征在于：所述小车底部设有若干对通过轴承与轮轴（14）连接的滚轮（19），轮轴（14）两端具有卡槽，所述卡槽内卡有与之相适配的卡圈（22），所述小车底板上对应卡圈位置处设有长孔（23）；所述轮轴上方设有垂向施力的并与轮轴抵接的压簧（21），所述调节装置设于小车底板（18）上部，包括推拉杆（15）和固定于推拉杆末端的滑块（16），所述滑块（16）上表面设有与轮轴（14）相匹配的限位槽（17），当滑块（16）卡在轮轴与小车底板（18）之间时，轮轴（14）嵌入限位槽（17）内，当滑块（16）抽出时，小车的滚轮（19）触地，所述卡圈（22）嵌入长孔（23）内。

3.根据权利要求1所述的一种用于研究小车运动规律的实验器，其特征在于：配重块质量取值范围为0g~100g，牵引块质量取值范围为10g~50g。

4.根据权利要求1所述的一种用于研究小车运动规律的实验器，其特征在于：所述前挡板上设有线槽（11），所述牵引线（9）穿过线槽（11）搭接于滑轮（8）上。

5.根据权利要求1所述的一种用于研究小车运动规律的实验器，其特征在于：所述底座上沿轴向设有刻度贴。

6.根据权利要求1所述的一种用于研究小车运动规律的实验器，其特征在于：所述直线导轨通过固定夹（12）固定于底座上。

7.根据权利要求1所述的一种用于研究小车运动规律的实验器，其特征在于：所述光电门（6）通过紧固件紧固于底座上。

8.根据权利要求1所述的一种用于研究小车运动规律的实验器，其特征在于：所述缓冲件为缓冲弹簧（7）。