CN106683540B - 一种运动合成物理实验演示仪 - Google Patents

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Abstract

本发明属于物理实验器械技术领域，具体涉及一种在水平匀速运动过程中竖直上抛投物体，被抛投物体做抛物线运动，落点和抛投点一致的运动合成物理实验演示仪。该演示仪包括底座、伺服滚珠丝杠导轨装置（水平运动机构）和自动弹射装置（竖直运动机构），底座包括底板和支脚，支脚设有高度调节机构，用于演示仪的水平调整；伺服滚珠丝杠导轨装置包括伺服电机、滚珠丝杠、导轨、限位开关等，用于驱动自动弹射装置做水平匀速直线运动；自动弹射装置包括弹簧、弹射套筒、弹射控制板、落球平台等，用于发射和接收做竖直上抛运动的质量球。本发明结构合理，操作简单，实验误差小，能很直观地演示运动的合成原理，实验效果明显。

Description

一种运动合成物理实验演示仪
技术领域
本发明属于物理实验器械技术领域，具体涉及一种在水平匀速运动过程中竖直上抛投物体，被抛投物体做抛物线运动，落点和抛投点一致的运动合成物理实验演示仪。
背景技术
据相关文献资料显示，目前所研发出的运动合成物理实验演示仪，操作复杂、实验误差大、实验效果不明显，增加了学生理解相关物理教学内容的难度，不适合在课堂中做演示实验。
而从目前在学校物理教学过程中人们所使用的运动合成物理实验演示仪情况来看，现在市场上的“运动合成实验演示仪”功能比较单一，只能演示其中某种较为简单的运动合成实验，且结构较为简单，实验误差较大，操作困难，实验效果不够明显。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有物理实验演示仪器的技术不足，设计提供一种运动合成物理实验演示仪，该运动合成物理实验演示仪能演示水平匀速直线运动过程中，使物体做竖直向上抛投运动，用于物理实验教学，演示运动合成这一物理现象。
本发明所采取的技术方案是：一种运动合成物理实验演示仪，包括底座、伺服滚珠丝杠导轨装置和自动弹射装置，伺服滚珠丝杠导轨装置通过螺栓连接固定在底座上，用于驱动自动弹射装置部分做水平匀速直线运动，自动弹射装置通过支撑杆15和伺服滚珠丝杠导轨装置连接固定，并通过伺服滚珠丝杠导轨装置的运动使其装置完成弹射和复位，使质量球受到弹力竖直向上做抛投运动。
具体地，所述的底座包括支脚1和底板2，底板2水平固定在支脚1上。
具体地，所述的伺服滚珠丝杠导轨装置包括轴承部件I31、轴承部件II32、导轨台4、导轨5、丝杠螺母6、滑台7、导轨滑块8、丝杠9、限位开关I101、限位开关II102、联轴器部件11、伺服电机12、护罩13，导轨滑块8与导轨5联接，导轨滑块8可在导轨5上滑动，导轨5连接固定在导轨台4上，导轨5两端分别安装有轴承部件I31和轴承部件II32，丝杠螺母6与丝杠9联接，丝杠螺母6可随丝杠9转动而直线移动，丝杠9安装在轴承部件I31和轴承部件II32之间，联轴器部件11安装在轴承部件II32上，伺服电机12安装在联轴器部件11另一侧，联轴器部件11把伺服电机12和丝杠9联接起来，轴承部件I31上安装有限位开关I101，轴承部件II32上安装有限位开关II102，滑台7与丝杠螺母6、导轨滑块8连接固定，通过伺服电机12驱动丝杠9转动，使与丝杠螺母6和导轨滑块8连接成一体的滑台7及其部件在导轨5上做水平匀速直线运动，滑台7在限位开关I101限定位置停下后使伺服电机12反转做复位动作，滑台7移动到限位开关II102限定位置停止，此时自动弹射装置复位至弹射前的初始状态，护罩13套在整个伺服滚珠丝杠导轨装置外部，用以保护伺服滚珠丝杠导轨装置。
具体地，所述的自动弹射装置包括弹射控制板14、支撑杆15、红外检测装置16、落球平台17、质量球18、落球锥口19、弹射推块20、弹簧21、弹射套筒22，落球平台17通过支撑杆15和伺服滚珠丝杠导轨装置的滑台7连接固定，落球平台17上装有红外检测装置16，落球锥口19和弹射套筒22连接后安装在落球平台17上，质量球18、弹射推块20和弹簧21安装在弹射套筒22内，弹射控制板14安装在护罩13上，自动弹射装置在水平运动过程中，弹射推块20在设定位置触动弹射控制板14的限位槽，释放弹簧21使质量球18受到弹力竖直向上做抛投运动，弹射控制板14的限位槽使演示仪在复位过程中压缩弹簧21达到复位效果。
优选地，所述的支脚1上设置有用于高度调节的螺纹机构，通过调整四个支脚1螺纹机构的高度，使底板2保持水平。
优选地，所述的导轨5通过螺钉连接固定在导轨台4上。
本发明的工作原理是：在实际的操作使用本发明的过程中，只需通过支脚1调整好该演示仪的水平状态，接通电源，按下演示仪电路配备的启动按钮，即可使伺服电机12正转驱动丝杠9转动，从而带动与丝杠螺母6和导轨滑块8连接成一体的滑台7之上的自动弹射装置整体部件在导轨上做水平匀速直线运动，当运动到设定位置，弹射推块20触动弹射控制板14的限位槽，释放弹簧21使质量球18受到弹力竖直向上做抛投运动，此时，红外检测装置16实时记录下质量球18自落球锥口19上抛的开始时间和检测出质量球18上抛的速度，由于伺服滚珠丝杠导轨装置使自动弹射装置整体部件继续往前做水平匀速直线运动，当质量球18落下时，落点正好在落球锥口19处，和抛点相同，这时，红外检测装置16记录下质量球18整个上抛运动的时间间隔；质量球18落下后，伺服滚珠丝杠导轨装置继续往前做水平匀速直线运动，到达限位开关I 101限定位置时触发限位开关I 101使伺服电机12反转，伺服滚珠丝杠导轨装置往回做水平匀速直线运动的复位动作，此过程中弹射推块20在设定位置触动弹射控制板14复位槽压缩弹簧21，完成复位，与此同时，演示仪在限位开关II 102的作用下停止，完成实验，演示仪处于实验前的初始状态；在演示仪运行过程中，红外检测装置16，能够实时的检测出质量球18抛出到落下的时间间隔和初始速度，并把这些数据传输到计算机上做运算，得出实验结果，在显示器上显示输出，便于学生对运动计算结果做观察对比，加深学生对这一物理现象的理解掌握。
本发明的有益效果是：结构合理，操作简单，使用方便，实验误差小，实验效果明显，对学生探究运动合成和分解这一物理现象有很大帮助。
附图说明
图1为本发明的一个方向的立体结构简图；
图2为本发明的另一个方向的立体结构简图；
图3为本发明的结构示意主视图；
图4为本发明的自动弹射装置结构局部放大图；
图5为本发明的自动弹射装置结构剖视图。
图中各标号为：1-支脚，2-底板，31-轴承部件I，32-轴承部件II，4-导轨台，5-导轨，6-丝杠螺母，7-滑台，8-导轨滑块，9-丝杠，101-限位开关I，102-限位开关II，11-联轴器部件，12-伺服电机，13-护罩，14-弹射控制板，15-支撑杆，16-红外检测装置，17-落球平台，18-质量球，19-落球锥口，20-弹射推块，21-弹簧，22-弹射套筒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1，如图1-5所示，一种运动合成物理实验演示仪，包括底座、伺服滚珠丝杠导轨装置和自动弹射装置，伺服滚珠丝杠导轨装置通过螺栓连接固定在底座上，用于驱动自动弹射装置部分做水平匀速直线运动，自动弹射装置通过支撑杆15和伺服滚珠丝杠导轨装置连接固定，并通过伺服滚珠丝杠导轨装置的运动使其装置完成弹射和复位，使质量球受到弹力竖直向上做抛投运动。
本发明包括底座、伺服滚珠丝杠导轨装置（水平运动机构）和自动弹射装置（上抛运动机构）三大部分，整体结构合理、直观，有利于观察实验过程。
进一步地，所述的底座包括支脚1和底板2，底板2水平固定在支脚1上。
进一步地，所述的伺服滚珠丝杠导轨装置包括轴承部件I31、轴承部件II32、导轨台4、导轨5、丝杠螺母6、滑台7、导轨滑块8、丝杠9、限位开关I101、限位开关II102、联轴器部件11、伺服电机12、护罩13，导轨滑块8与导轨5联接，导轨滑块8可在导轨5上滑动，导轨5连接固定在导轨台4上，导轨5两端分别安装有轴承部件I31和轴承部件II32，丝杠螺母6与丝杠9联接，丝杠螺母6可随丝杠9转动而直线移动，丝杠9安装在轴承部件I31和轴承部件II32之间，联轴器部件11安装在轴承部件II32上，伺服电机12安装在联轴器部件11另一侧，联轴器部件11把伺服电机12和丝杠9联接起来，轴承部件I31上安装有限位开关I101，轴承部件II32上安装有限位开关II102，滑台7与丝杠螺母6、导轨滑块8连接固定，通过伺服电机12驱动丝杠9转动，使与丝杠螺母6和导轨滑块8连接成一体的滑台7及其部件在导轨5上做水平匀速直线运动，滑台7在限位开关I101限定位置停下后使伺服电机12反转做复位动作，滑台7移动到限位开关II102限定位置停止，此时自动弹射装置复位至弹射前的初始状态，护罩13套在整个伺服滚珠丝杠导轨装置外部，用以保护伺服滚珠丝杠导轨装置。
所述的伺服滚珠丝杠导轨装置采用伺服电机12驱动，使滚珠丝杠导轨滑块8传递水平运动，并安装有限位开关；伺服电机12转速可调，可以正反转，能够实现不同速度的匀速正转和反转；滚珠丝杠导轨5属于精密传动能更好地保证水平匀速运动的平稳性，有效地减小实验误差；限位开关可以保证运动过程中伺服电机收到指令信号自动做出正确反应。
进一步地，所述的自动弹射装置包括弹射控制板14、支撑杆15、红外检测装置16、落球平台17、质量球18、落球锥口19、弹射推块20、弹簧21、弹射套筒22，落球平台17通过支撑杆15和伺服滚珠丝杠导轨装置的滑台7连接固定，落球平台17上装有红外检测装置16，落球锥口19和弹射套筒22连接后安装在落球平台17上，质量球18、弹射推块20和弹簧21安装在弹射套筒22内，弹射控制板14安装在护罩13上，自动弹射装置在水平运动过程中，弹射推块20在设定位置触动弹射控制板14的限位槽，释放弹簧21使质量球18受到弹力竖直向上做抛投运动，弹射控制板14的限位槽使演示仪在复位过程中压缩弹簧21达到复位效果。
所述的自动弹射装置采用的机械机构，结构简单，便于维修维护；所设计的装置能够自动压缩和释放弹簧，完成弹射和复位动作；锥形接收口的设计，能有效减小空气阻力造成的误差；同时，装置上安装有红外检测装置16，能够实时的检测出小球抛出到落下的时间间隔，并把数据传输到计算机上做运算，得出实验结果在显示器上显示输出，便于学生对运动计算结果做观察对比。
更加完善的是，本发明配备有专用电气电路，能够实现一键完成实验仪的启动和复位，操控简单。
进一步地，所述的支脚1上设置有用于高度调节的螺纹机构，通过调整四个支脚1螺纹机构的高度，使底板2保持水平，最终使实验演示仪保持水平，从而有效减小实验误差。
进一步地，所述的导轨5通过螺钉连接固定在导轨台4上，结构简单，固定牢靠。
在实际的操作使用本发明的过程中，只需通过支脚1调整好该演示仪的水平状态，接通电源，按下演示仪电路配备的启动按钮，即可使伺服电机12正转驱动丝杠9转动，从而带动与丝杠螺母6和导轨滑块8连接成一体的滑台7之上的自动弹射装置整体部件在导轨上做水平匀速直线运动，当运动到设定位置，弹射推块20触动弹射控制板14的限位槽，释放弹簧21使质量球18受到弹力竖直向上做抛投运动，此时，红外检测装置16实时记录下质量球18自落球锥口19上抛的开始时间和检测出质量球18上抛的速度，由于伺服滚珠丝杠导轨装置使自动弹射装置整体部件继续往前做水平匀速直线运动，当质量球18落下时，落点正好在落球锥口19处，和抛点相同，这时，红外检测装置16记录下质量球18整个上抛运动的时间间隔；质量球18落下后，伺服滚珠丝杠导轨装置继续往前做水平匀速直线运动，到达限位开关I 101限定位置时触发限位开关I 101使伺服电机12反转，伺服滚珠丝杠导轨装置往回做水平匀速直线运动的复位动作，此过程中弹射推块20在设定位置触动弹射控制板14复位槽压缩弹簧21，完成复位，与此同时，演示仪在限位开关II 102的作用下停止，完成实验，演示仪处于实验前的初始状态；在演示仪运行过程中，红外检测装置16，能够实时的检测出质量球18抛出到落下的时间间隔和初始速度，并把这些数据传输到计算机上做运算，得出实验结果，在显示器上显示输出，便于学生对运动计算结果做观察对比，加深学生对这一物理现象的理解掌握。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种运动合成物理实验演示仪，其特征在于：包括底座、伺服滚珠丝杠导轨装置和自动弹射装置，伺服滚珠丝杠导轨装置通过螺栓连接固定在底座上，用于驱动自动弹射装置部分做水平匀速直线运动，自动弹射装置通过支撑杆（15）和伺服滚珠丝杠导轨装置连接固定，并通过伺服滚珠丝杠导轨装置的运动使其装置完成弹射和复位，使质量球受到弹力竖直向上做抛投运动；
所述的伺服滚珠丝杠导轨装置包括轴承部件I（31）、轴承部件II（32）、导轨台（4）、导轨（5）、丝杠螺母（6）、滑台（7）、导轨滑块（8）、丝杠（9）、限位开关I（101）、限位开关II（102）、联轴器部件（11）、伺服电机（12）、护罩（13），导轨滑块（8）与导轨（5）联接，导轨滑块（8）可在导轨（5）上滑动，导轨（5）连接固定在导轨台（4）上，导轨（5）两端分别安装有轴承部件I（31）和轴承部件II（32），丝杠螺母（6）与丝杠（9）联接，丝杠螺母（6）可随丝杠（9）转动而直线移动，丝杠（9）安装在轴承部件I（31）和轴承部件II（32）之间，联轴器部件（11）安装在轴承部件II（32）上，伺服电机（12）安装在联轴器部件（11）另一侧，联轴器部件（11）把伺服电机（12）和丝杠（9）联接起来，轴承部件I（31）上安装有限位开关I（101），轴承部件II（32）上安装有限位开关II（102），滑台（7）与丝杠螺母（6）、导轨滑块（8）连接固定，通过伺服电机（12）驱动丝杠（9）转动，使与丝杠螺母（6）和导轨滑块（8）连接成一体的滑台（7）及其部件在导轨（5）上做水平匀速直线运动，滑台（7）在限位开关I（101）限定位置停下后使伺服电机（12）反转做复位动作，滑台（7）移动到限位开关II（102）限定位置停止，此时自动弹射装置复位至弹射前的初始状态，护罩（13）套在整个伺服滚珠丝杠导轨装置外部，用以保护伺服滚珠丝杠导轨装置；
所述的自动弹射装置包括弹射控制板（14）、支撑杆（15）、红外检测装置（16）、落球平台（17）、质量球（18）、落球锥口（19）、弹射推块（20）、弹簧（21）、弹射套筒（22），落球平台（17）通过支撑杆（15）和伺服滚珠丝杠导轨装置的滑台（7）连接固定，落球平台（17）上装有红外检测装置（16），落球锥口（19）和弹射套筒（22）连接后安装在落球平台（17）上，质量球（18）、弹射推块（20）和弹簧（21）安装在弹射套筒（22）内，弹射控制板（14）安装在护罩（13）上，自动弹射装置在水平运动过程中，弹射推块（20）在设定位置触动弹射控制板（14）的限位槽，释放弹簧（21）使质量球（18）受到弹力竖直向上做抛投运动，弹射控制板（14）的限位槽使演示仪在复位过程中压缩弹簧（21）达到复位效果。
2.根据权利要求1所述的运动合成物理实验演示仪，其特征在于：所述的底座包括支脚（1）和底板（2），底板（2）水平固定在支脚（1）上。
3.根据权利要求2所述的运动合成物理实验演示仪，其特征在于：所述的支脚（1）上设置有用于高度调节的螺纹机构，通过调整四个支脚（1）螺纹机构的高度，使底板（2）保持水平。
4.根据权利要求1所述的运动合成物理实验演示仪，其特征在于：所述的导轨（5）通过螺钉连接固定在导轨台（4）上。
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