CN107610563B - 一种自由落体实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由落体实验装置，包括真空管、设置在真空管两端的电磁铁和真空阀门以及设置在真空管内的羽毛和铁块，所述真空阀门与外部真空机连接，所述电磁铁与外部电源控制开关连接，所述真空管包括羽毛管和铁块管，所述羽毛管和铁块管的内壁上均贴设有沿竖直方向排列的若干个光电门，所述羽毛管和铁块管的外壁上均贴设有沿竖直方向排列的数量与光电门一一对应的指示灯。本发明的自由落体实验装置，通过将真空管设置成羽毛管和铁块管，便可以将羽毛和铁块分开进行同步掉落，而通过光电门和指示灯的设置，就可以有效的检测到羽毛和铁块掉落的过程，并指示出来。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验装置，更具体的说是涉及一种自由落体实验装置。
背景技术
自由落体实验是历史上非常著名的实验，其揭示了在地球上重量不同的物体下落的加速度是相同的，而对于这个实验进行最好的验证方式便是钱羽管(又称牛顿管)，通过钱羽管内铜钱和羽毛在一个真空管内的运动来揭示自由落体这一个真理。
现有的钱羽管的结构都是包括真空透明玻璃管、分别固定在真空透明玻璃管两端的电磁铁和真空阀门以及在真空透明玻璃管内的羽毛和铁块，其中为了方便羽毛被电磁铁吸引，保证与铁块同时下落，现有的羽毛的根部上面会加设一个重量远小于铁块的一小块铁，在实验的过程中，将真空阀门与外部的真空机连接，将电磁铁通电，同时翻到整个真空管，然后铁块和羽毛都被吸附到电磁铁上，然后开始实验，一般情况下实验分两步骤进行，即有空气时的实验和没空气时的实验，有空气时的实验就是真空机不抽取真空管内的空气，断开电磁铁的电源，使得羽毛和铁块一起下落，没有空气时的实验就是真空机抽取了真空管内的空气，然后断开电磁铁电源使得羽毛和铁块一起下落，如此明确的显示了不同重量的物体在有空气和没有空气的时候的下落速度，然而由于重力加速度g为9.8m/s2所以羽毛和铁块的下落速度很快，人用肉眼很难看出羽毛和铁块是否同时下落的，因此现有的自由落体运动需要高速摄像机拍下来以后慢放才能够明确看的到羽毛和铁块是否同时下落，这样在老师课堂演示的过程中就显得很不方便，同时直观性不够，需要先拍再看，同时每一次的自由落体实验都需要配备一台高速摄像机，无疑这样会大幅增加学校的实验器材成本，不利于在中小学内推广。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种直观性强、且成本低廉的自由落体实验装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种自由落体实验装置，包括真空管、设置在真空管两端的电磁铁和真空阀门以及设置在真空管内的羽毛和铁块，所述真空阀门与外部真空机连接，所述电磁铁与外部电源控制开关连接，所述真空管包括羽毛管和铁块管，所述羽毛管和铁块管相互连通，羽毛设置在羽毛管内，铁块设置在铁块管内，所述电磁铁包括用于吸住羽毛的羽毛电磁铁和用于吸住铁块的铁块电磁铁，所述真空阀门包括羽毛阀门和铁块阀门，所述羽毛电磁铁和铁块电磁铁分别固定在羽毛管和铁块管的一端，所述羽毛阀门和铁块阀门分别一一对应固定在羽毛管背向羽毛电磁铁的一端和铁块管背向铁块电磁铁的一端，所述羽毛管和铁块管的内壁上均贴设有沿竖直方向排列的若干个光电门，所述羽毛管和铁块管的外壁上均贴设有沿竖直方向排列的数量与光电门一一对应的指示灯，所述光电门和指示灯从上至下一一对应耦接，所述光电门与指示灯之间还耦接有延时器，用于将光电门输出的信号延时后输入到指示灯内。
作为本发明的进一步改进，若干个所述光电门均具有信号输出线，所述羽毛电磁铁和铁块电磁铁均包括用于堵塞住羽毛管和铁块管端部的外壳和设置外壳内部的电磁铁体，所述外壳内设置有用于与延时器耦接的导电盘，所述外壳呈圆柱状，所述导电盘同轴嵌设在外壳内，所述外壳的侧壁上开设有导电连接口，所述信号输出线的一端与光电门耦接，另一端设有导电插片，所述导电插片通过导电连接口插入到外壳内，并与导电盘相抵触，其中导电盘的外壁与外壳的内壁紧密贴合构成密封连接。
作为本发明的进一步改进，所述导电盘的上侧面和下侧面均设有导电内环和导电外环，所述电磁铁体固定在导电内环上，并与导电内环电连接，所述导电外环靠近导电连接口设置，当导电插片插入到外壳时，导电插片与导电外环相抵触。
作为本发明的进一步改进，所述延时器包括若干个延时电路和数量与指示灯一一对应的指示灯延时电路，其中，一个指示灯、一个指示灯延时电路和一个光电门为一组，每组内的光电门、指示灯延时电路和指示灯相互串联，其中，第一组的光电门耦接于电源，次一组的光电门耦接于一个延时电路后与前一组的光电门耦接。
作为本发明的进一步改进，所述延时电路包括：
反相器U1，该反相器U1具有输入端和输出端，所述输入端与前一组的光电门耦接，输出端输出反相后的信号；
反相器U2，该反相器U2具有输入引脚和输出引脚，所述输入引脚耦接有放电电阻R后耦接于反相器U1的输出端，所述输出引脚耦接于本组的光电门，所述输入引脚与输出端之间的节点耦接有电容C后接地。
作为本发明的进一步改进，所述指示灯延时电路包括：
三极管Q，该三极管Q的基极耦接有电阻R2后耦接有电容C1后接地，集电极耦接有指示灯后耦接于光电门，该集电极还耦接有二极管D后耦接于光电门，发射极耦接有电阻R3后接地；
可变电阻Rp，该可变电阻Rp的一端耦接有电阻R1后耦接于电容C1，另一端耦接有电感L后耦接于光电门。
作为本发明的进一步改进，所述延时器包括：
单片机，该单片机上具有多个I/O引脚，其中一部分I/O引脚一一对应的与光电门耦接，另一部分I/O引脚一一对应的与指示灯耦接，所述I/O引脚内均具有延时单元，其中，与光电门耦接的I/O引脚内的延时单元的延时时间呈等差数列依次递增，与指示灯耦接的I/O引脚内的延时单元的延时时间全部相等。
作为本发明的进一步改进，所述羽毛管和铁块管的外壁上均固定连接有指示板，所述指示灯从上之下依次排列在指示板上，所述指示板相对于指示灯的位置上设有刻度。
本发明的有益效果，通过将真空管设置成羽毛管和铁块管，将羽毛放到羽毛管内进行试验，将铁块管放到铁块管内进行实验，如此便可以避免实验时两个相互干扰的问题，同时将两个管子相通，可以保证两管内部的真空度相同，保持实验的准确性，而且通过羽毛电磁铁和铁块电磁铁的设置，就可以在实验的过程中，通过羽毛电磁铁吸住羽毛，而通过铁块电磁铁吸住铁块，然后进行实验的效果，而通过羽毛阀门和铁块阀门的设置，就可以连接两个真空机，加速羽毛管和铁块管内的空气抽离，同时本实施方式中还可以采用只连接一个阀门与外部真空机的方式，以节省成本，而通过光电门和指示灯的设置，便可有效的检测并指示出羽毛和铁块的下落情况，而通过延时器的设置，就可以通过对光电门传输到指示灯内的信号进行延时的方式，避免现有技术中下落过快导致的需要摄像机导致的成本提升的问题，并且在下落的过程中通过指示灯直接指示，就不需要同现有技术中一样，进行先拍再看的问题，直观性更高，学生在课堂实验中的便能够直观明了的看出自由落体的整个过程了。
附图说明
图1为本发明的自由落体实验装置的整体结构图；
图2为图1中A处的放大图；
图3为延时器的一种实施方式的模块框图；
图4为图3中延时电路的电路图；
图5为图3中指示灯延时电路的电路图。
具体实施方式
下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
参照图1至5所示，本实施例的一种自由落体实验装置，包括真空管1、设置在真空管1两端的电磁铁2和真空阀门3以及设置在真空管1内的羽毛和铁块，所述真空阀门3与外部真空机连接，所述电磁铁2与外部电源控制开关连接，所述真空管1包括羽毛管11和铁块管12，所述羽毛管11和铁块管12相互连通，羽毛设置在羽毛管11内，铁块设置在铁块管12内，所述电磁铁2包括用于吸住羽毛的羽毛电磁铁21和用于吸住铁块的铁块电磁铁22，所述真空阀门3包括羽毛阀门31和铁块阀门32，所述羽毛电磁铁21和铁块电磁铁22分别固定在羽毛管11和铁块管12的一端，所述羽毛阀门31和铁块阀门32分别一一对应固定在羽毛管11背向羽毛电磁铁21的一端和铁块管12背向铁块电磁铁22的一端，所述羽毛管11和铁块管12的内壁上均贴设有沿竖直方向排列的若干个光电门4，所述羽毛管11和铁块管12的外壁上均贴设有沿竖直方向排列的数量与光电门4一一对应的指示灯8，所述光电门4和指示灯8从上至下一一对应耦接，所述光电门4与指示灯8之间还耦接有延时器6，用于将光电门4输出的信号延时后输入到指示灯8内，在使用本实施例中的实验装置中，羽毛设置在羽毛管11内，铁块在铁块管12内，在实验开始之前将羽毛管11和铁块管12一起翻倒，让羽毛和铁块与羽毛电磁铁21和铁块电磁铁22相接触，然后将羽毛电磁铁21和铁块电磁铁22通电吸住羽毛和铁块，然后再将羽毛管11和铁块管12一起翻倒，之后将外部的真空机连接羽毛阀门31和/或铁块阀门32，如此完成了实验前的准备，实验时，首先不抽取空气，那么就表示羽毛管11和铁块管12内均具有空气，然后同时断开羽毛电磁铁21和铁块电磁铁22的电源，下一次时则抽取掉羽毛管11和铁块管12内的空气，那么羽毛和铁块就会在充满空气或是真空的羽毛管11和铁块管12内同步做自由落体运动，在羽毛和铁块自由落体的过程中，光电门4就会一一的检测到羽毛和铁块的下落情况，在光电门4被羽毛或是铁块触发的时候，光电门4就会输出一个信号到延时器6内，延时器6就会将这个信号进行延时以后输入到指示灯8内，指示灯8就会发光，同时会延时的亮一段时间，如此便能够很好的指示羽毛和铁块的运动情况，避免现有技术中出现羽毛和铁块的运动速度过快导致的现象不明显的问题，因为本实施例中采用了对信号进行延时的方式来避免羽毛和铁块速度运动过快导致的现象不明显的问题，因此其并不会影响到羽毛和铁块的运动速度，因而通过延时器6的设置，在保留了羽毛和铁块的原始的自由落体动作的同时，还能够有效的将羽毛和铁块的运动情况延时放出，如此有效的避免了现有技术中由于羽毛和铁块的运动速度过快导致的人观察出来的羽毛和铁块的运动情况不明显的问题，同时在整个实验过程并不需要使用到高速摄像机，可以有效的降低实验设备的成本。
作为改进的一种具体实施方式，若干个所述光电门4均具有信号输出线，所述羽毛电磁铁21和铁块电磁铁22均包括用于堵塞住羽毛管11和铁块管12端部的外壳5和设置外壳5内部的电磁铁体7，所述外壳5内设置有用于与延时器6耦接的导电盘51，所述外壳5呈圆柱状，所述导电盘51同轴嵌设在外壳5内，所述外壳5的侧壁上开设有导电连接口52，所述信号输出线的一端与光电门4耦接，另一端设有导电插片41，所述导电插片41通过导电连接口52插入到外壳5内，并与导电盘51相抵触，其中导电盘51的外壁与外壳5的内壁紧密贴合构成密封连接，光电门4的信号需要传导到外部的延时器6内，那就需要将光电门4与外部的延时器6通过导线连接，由于实验时羽毛管11和铁块管12内需要接近真空，因而羽毛管11和铁块管12的密封性就显得相当的重要，因此在这里通过外壳5的设置，便可以有效的堵塞羽毛管11和铁块管12的端部，保持羽毛管11和铁块管12的真空性，而通过导电盘51的设置，便可以实现了与导电插片41的连接，将光电门4的信号输出到外部延时器6的同时，还能够有效的保持外壳5的密封性，避免了羽毛管11和铁块管12密封性变差导致的试验结果不准确的问题，而通过导电插片41与导电盘5相抵触的连接方式，连接起来方便快捷，使得实验装置的生产更加的方便快捷。
作为改进的一种具体实施方式，所述导电盘51的上侧面和下侧面均设有导电内环511和导电外环512，所述电磁铁体7固定在导电内环511上，并与导电内环511电连接，所述导电外环512靠近导电连接口52设置，当导电插片41插入到外壳5时，导电插片41与导电外环512相抵触，通过导电内环511和导电外环512的设置，便可以实现通过一个导电盘导通两种电信号的效果，因而本实施例中通过导电内环511输出提供电磁铁体7产生磁力的电源，而导电外环512则用于与光电门4连接，一方面给光电门4提供电源，另一方面接受光电门4输出的信号，即让光电门4与外部的延时器6构成一个通电回路，让外部的延时器6的感应到光电门4的开关情况，如此很好的实现了一个光电门4反应羽毛和铁块的运动情况给外部的延时器6的效果，同时保持了电磁铁体7的供电，本实施例中导电内环511和导电外环512之间通过一根贯穿导电盘51的导电柱连接。
作为改进的一种具体实施方式，所述延时器6包括若干个延时电路61和数量与指示灯8一一对应的指示灯延时电路62，其中，一个指示灯8、一个指示灯延时电路62和一个光电门4为一组，每组内的光电门4、指示灯延时电路62和指示灯8相互串联，其中，第一组的光电门4耦接于电源，次一组的光电门4耦接于一个延时电路61后与前一组的光电门4耦接，通过延时电路61的设置，便可以有效的对光电门4输出的信号进行延时，而通过指示灯延时电路62的设置，便可以有效的对指示灯8的亮灭过程进行延时，因此通过延时电路61的设置，可以增加相邻指示灯8的亮灭交替时间，避免指示灯8亮灭交替时间过长导致的羽毛和铁块之间下落过程显示的不明显的问题，而通过指示灯延时电路62的设置，则可以对指示灯8的亮灭过程进行延时，避免指示灯8一闪而过导致的人眼无法很好的看清指示灯8的亮灭情况的问题，而通过采用上述连接方式，可以保持指示灯8之间的延时时间为一定值，因此便能够有效的将指示灯8之间的亮灭关系进行延时显示了。
作为改进的一种具体实施方式，所述延时电路61包括：
反相器U1，该反相器U1具有输入端和输出端，所述输入端与前一组的光电门4耦接，输出端输出反相后的信号；
反相器U2，该反相器U2具有输入引脚和输出引脚，所述输入引脚耦接有放电电阻R后耦接于反相器U1的输出端，所述输出引脚耦接于本组的光电门4，所述输入引脚与输出端之间的节点耦接有电容C后接地，通过反相器U1的设置，便可以将光电门4输出的信号进行反相后输出，然后通过电阻R给电容C进行充放电，当电容C上的端电压达到一定阈值的时候，反相器U2才会导通，并将信号反相后输出，由于电容C的充放电需要时间，因此这个时间便是延时电路61的延时时间，如此简单有效的实现了一个延时的作用，使用起来成本低廉，便于实现。
作为改进的一种具体实施方式，所述指示灯延时电路62包括：
三极管Q，该三极管Q的基极耦接有电阻R2后耦接有电容C1后接地，集电极耦接有指示灯8后耦接于光电门4，该集电极还耦接有二极管D后耦接于光电门4，发射极耦接有电阻R3后接地；
可变电阻Rp，该可变电阻Rp的一端耦接于电容C1，另一端耦接于光电门4，在指示灯延时电路62工作的时候，首先光电门4就会发出一个信号到指示灯延时电路62内，光电门4的这个信号就会通过可变电阻Rp、电阻R1给电容C1充电，使得电容C1的电压缓缓升高，同时电感L进行储电，而由于三极管Q的基极具有开断电压，因此当电容C1的端电压上升到三极管Q的开断电压的时候，三极管Q导通，使得电感L连接指示灯8后接地，如此电感L所储存的电能便会被释放出来，流入到指示灯8内，进而驱动指示灯8发光，而指示灯8的发光时间就是电感L的释放电能的时间，如此很好的实现了一个指示灯8延时亮灭的效果，且整体结构简单，只需要设置硬件即可，并不需要通过软件程序进行辅助。
作为改进的一种具体实施方式，所述延时器6包括：
单片机，该单片机上具有多个I/O引脚，其中一部分I/O引脚一一对应的与光电门4耦接，另一部分I/O引脚一一对应的与指示灯8耦接，所述I/O引脚内均具有延时单元，其中，与光电门4耦接的I/O引脚内的延时单元的延时时间呈等差数列依次递增，与指示灯8耦接的I/O引脚内的延时单元的延时时间全部相等，通过单片机的设置，就可以有效的利用单片机内部搭载的软件程序去控制光电门4的信号输出延时和指示灯8的亮灭延时了，其相比于上述的采用延时电路61和指示灯延时电路62的设置，硬件结构简单，可以适用于大量的光电门4和指示灯8的情况，但是需要搭载软件程序，因而其相对于上述延时电路的电路结构实现的方式，成本较高。
作为改进的一种具体实施方式，所述羽毛管11和铁块管12的外壁上均固定连接有指示板9，所述指示灯8从上之下依次排列在指示板9上，所述指示板9相对于指示灯8的位置上设有刻度，通过指示板9的设置就可以有效的将指示灯8并排的设置在指示板9上，之后通过指示板9上的刻度的设置，便可以获得指示灯8之间的距离，因此实验后可以通过指示灯8的亮灭时间减去延时时间获取实际上的光电门4被触发的时间，然后通过刻度获取的距离，便可以根据公式有效的计算出重力加速度了。
综上所述，通过将真空管1设置成羽毛管11和铁块管12，就可以有效的将羽毛和铁块分开进行实验，避免现有技术中两者一起导致分辨不清的问题，而将真空阀门3设置成羽毛阀门31和铁块阀门32的，将电磁铁2设置成羽毛电磁铁21和铁块电磁铁22，便可以实现在两个管内同时吸附羽毛和铁块的效果，并且在实验时能够保证羽毛和铁块同步下落的效果，保证了实验的精准性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种自由落体实验装置，包括真空管（1）、设置在真空管（1）两端的电磁铁（2）和真空阀门（3）以及设置在真空管（1）内的羽毛和铁块，所述真空阀门（3）与外部真空机连接，所述电磁铁（2）与外部电源控制开关连接，其特征在于：所述真空管（1）包括羽毛管（11）和铁块管（12），所述羽毛管（11）和铁块管（12）相互连通，羽毛设置在羽毛管（11）内，铁块设置在铁块管（12）内，所述电磁铁（2）包括用于吸住羽毛的羽毛电磁铁（21）和用于吸住铁块的铁块电磁铁（22），所述真空阀门（3）包括羽毛阀门（31）和铁块阀门（32），所述羽毛电磁铁（21）和铁块电磁铁（22）分别固定在羽毛管（11）和铁块管（12）的一端，所述羽毛阀门（31）和铁块阀门（32）分别一一对应固定在羽毛管（11）背向羽毛电磁铁（21）的一端和铁块管（12）背向铁块电磁铁（22）的一端，所述羽毛管（11）和铁块管（12）的内壁上均贴设有沿竖直方向排列的若干个光电门（4），所述羽毛管（11）和铁块管（12）的外壁上均贴设有沿竖直方向排列的数量与光电门（4）一一对应的指示灯（8），所述光电门（4）和指示灯（8）从上至下一一对应耦接，所述光电门（4）与指示灯（8）之间还耦接有延时器（6），用于将光电门（4）输出的信号延时后输入到指示灯（8）内；
所述延时器（6）包括若干个延时电路（61）和数量与指示灯（8）一一对应的指示灯延时电路（62），其中，一个指示灯（8）、一个指示灯延时电路（62）和一个光电门（4）为一组，每组内的光电门（4）、指示灯延时电路（62）和指示灯（8）相互串联，其中，第一组的光电门（4）耦接于电源，次一组的光电门（4）耦接于一个延时电路（61）后与前一组的光电门（4）耦接；
所述指示灯延时电路（62）包括：三极管Q，该三极管Q 的基极耦接有电阻R2 后耦接有电容C1 后接地，集电极耦接有指示灯（8）后耦接于光电门（4），该集电极还耦接有二极管D后耦接于光电门（4），发射极耦接有电阻R3 后接地；可变电阻Rp，该可变电阻Rp 的一端耦接有电阻R1 后耦接于电容C1，另一端耦接有电感L 后耦接于光电门（4）；
所述羽毛管（11）和铁块管（12）的外壁上均固定连接有指示板（9），所述指示灯（8）从上之下依次排列在指示板（9）上，所述指示板（9）相对于指示灯（8）的位置上设有刻度。
2.根据权利要求1 所述的自由落体实验装置，其特征在于：若干个所述光电门（4）均具有信号输出线，所述羽毛电磁铁（21）和铁块电磁铁（22）均包括用于堵塞住羽毛管（11）和铁块管（12）端部的外壳（5）和设置外壳（5）内部的电磁铁体（7），所述外壳（5）内设置有用于与延时器（6）耦接的导电盘（51），所述外壳（5）呈圆柱状，所述导电盘（51）同轴嵌设在外壳（5）内，所述外壳（5）的侧壁上开设有导电连接口（52），所述信号输出线的一端与光电门（4）耦接，另一端设有导电插片（41），所述导电插片（41）通过导电连接口（52）
插入到外壳（5）内，并与导电盘（51）相抵触，其中导电盘（51）的外壁与外壳（5）的内壁紧密贴合构成密封连接。
3.根据权利要求2 所述的自由落体实验装置，其特征在于：所述导电盘（51）的上侧面和下侧面均设有导电内环（511）和导电外环（512），所述电磁铁体（7）固定在导电内环（511）上，并与导电内环（511）电连接，所述导电外环（512）靠近导电连接口（52）设置，当导电插片（41）插入到外壳（5）时，导电插片（41）与导电外环（512）相抵触。
4.根据权利要求3 所述的自由落体实验装置，其特征在于：所述延时电路（61）包括：反相器U1，该反相器U1 具有输入端和输出端，所述输入端与前一组的光电门（4）耦接，输出端输出反相后的信号；
反相器U2，该反相器U2 具有输入引脚和输出引脚，所述输入引脚耦接有放电电阻R 后耦接于反相器U1的输出端，所述输出引脚耦接于本组的光电门（4），所述输入引脚与输出端之间的节点耦接有电容C 后接地。
5.根据权利要求1 或2 或3 所述的自由落体实验装置，其特征在于：所述延时器（6）包括：单片机，该单片机上具有多个I/O 引脚，其中一部分I/O 引脚一一对应的与光电门（4）耦接，另一部分I/O 引脚一一对应的与指示灯（8）耦接，所述I/O 引脚内均具有延时单元，其中，与光电门（4）耦接的I/O 引脚内的延时单元的延时时间呈等差数列依次递增，与指示灯（8）耦接的I/O 引脚内的延时单元的延时时间全部相等。
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