CN108230841A - 一种物理教学的动量守恒实验演示方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种物理教学的动量守恒实验演示方法及装置，其装置包括固定座、导轨、第一滑块、第二滑块、磁场发生装置以及控制器，第一滑块包括推动机构，第二滑块包括第一供电模块及磁力可调的第一电磁铁；第一、第二滑块对导轨的压力均相同，且它们与导轨之间的滑动摩擦系数相同；第二滑块上开设有配重块安装槽并配备有配重块；固定座上还设有与控制器信号连接的用于测量各滑块位移的位移测量装置；所述控制器分别与推动机构、位移测量装置、演示结果显示屏以及演示启动开关信号连接。本发明能够对不同质量的滑块组成的系统进行动量守恒演示，同时还能够使学生在任意演示时间点上感知动量守恒原理。

Description

一种物理教学的动量守恒实验演示方法及装置

技术领域

本发明属于物理教学实验技术领域，特别涉及一种物理教学的动量守恒实验演示方法及装置。

背景技术

如果一个系统不受外力，或者所受外力的矢量和为零，这个系统的总动量保持不变，这就是动量守恒定律。动量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一，它既适用于宏观物体，也适用于微观粒子；既适用于低速运动物体，也适用于高速运动物体，它是一个实验规律。因此验证动量守恒是高中物理实验教学中较为重要的学生实验。现有的动量守恒实验通常是把静止的两个滑块(或两辆小车)相连，使它们之间自己产生一个相互的作用力，由于相互作用力的作用，两个滑块(小车)分别远离对方运动，它们都获得了动量，以此验证动量的矢量和为零。然而现有技术的该类动量守恒实验演示方法、演示装置存在明显的不足，其实现功能简单，无法更加全面的、更有说服力的实现动量演示，例如，现有技术动量演示通常需要两个滑块的质量相等，因为如果质量不相等则会导致两个滑块在演示过程中受到的与运动方向相反的摩擦力不同，导致在水平方向上由两个滑块组成的系统受到的外力合力不为零，从而不符合动量守恒条件，而演示中两个滑块质量相等的情况只是一种特殊情况，并不能代表更加广泛的质量不相等的情况下的动量演示，因此很难使学生对动量守恒定律形成一个全面、客观的认知；此外，虽然现有技术的动量守恒演示实验中学生能够直观的看到两个滑块的相向运动，然而并不能让学生信服在由两个滑块组成的系统在运动的过程中是否时刻遵循着动量守恒定律，因此也不能全面的使学生从时空两个维度上理解并感知动量守恒定律，导致学生无法对动量守恒定律有更全面更客观的深入理解并掌握。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种物理教学的动量守恒实验演示方法及装置，能够对不同质量的物体(滑块)组成的系统进行动量守恒演示，同时还能够使学生在演示过程中的任意时间点上感知到系统运动过程中的动量守恒原理，能够使学生更加全面的从时、空两个维度上理解并感知动量守恒定律，使学生对动量守恒定律更全面更客观的深入理解并掌握。

本发明的技术方案是：一种物理教学的动量守恒实验演示方法，包括如下步骤：

1)在固定座上设置导轨，在导轨上设置与导轨滑动连接的第一滑块以及第二滑块，其中第一滑块包括设于其内部的推动机构，第二滑块包括设于其内部的磁场方向向下且磁场强度可调的第一电磁铁，同时第二滑块上开设有配重块安装槽；所述第一滑块以及第二滑块对导轨的压力相等，且它们与导轨之间的滑动摩擦系数相同；

2)通过磁场发生装置在导轨区域内产生一方向向上的磁场，使磁场发生装置所产生的磁场与第一电磁铁所产生的磁场在竖直方向相斥，通过调整第一电磁铁的磁场磁力大小，使第一电磁铁所产生的磁场和磁场发生装置所产生的磁场之间的磁斥力大小与安装在第二滑块上的配重块的重量相等；

3)启动推动机构，使第一滑块和第二滑块之间产生相斥的力并做相互远离的滑动；

4)在第一滑块和第二滑块滑动的过程中，通过位移测量装置实时测量第一滑块以及第二滑块的位移值，并将所测的位移值实时发送给控制器，所述控制器以设定的采样时间间隔同时采集第一滑块的位移值以及第二滑块的位移值；对于每一滑块，以某一采样时间间隔内所采集的滑块的位移与该采样时间间隔的上一个相邻采样时间间隔内所采集的滑块的位移的差值除以采样时间间隔值作为该滑块在该采样时间间隔内的平均速度，以该平均速度与该滑块的质量积作为该滑块在该采样时间间隔内所采集的滑块的动量值，其中第二滑块此时的质量还包括安装于其上的配重块质量；

5)所述控制器实时将第一滑块和第二滑块在每个采样时间间隔内所采集的动量值实时发送给演示结果显示屏，所述演示结果显示屏分别将实时接收到的第一滑块以及第二滑块在各采样时间间隔内所采集的动量值以纵坐标为动量坐标轴，横坐标为时间坐标轴的平面坐标系中予以显示。

上述控制器包括微处理器以及数据采集模块；所述位移测量装置将所测位移值实时发送给所述数据采集模块，所述数据采集模块以设定的采样时间间隔同时采集第一滑块的位移值和第二滑块的位移值，并将所采集的第一滑块的位移值以及第二滑块的位移值发送给所述微处理器；对于每一滑块，所述微处理器以相邻采样时间间隔内滑块的位移值的差值除以采样时间间隔值即得该滑块在该采样时间间隔内的平均速度，以该平均速度与该滑块的质量积作为该滑块在该采样时间间隔内的动量值；所述微处理器实时将第一滑块和第二滑块在每个采样时间间隔内的动量值实时发送给所述演示结果显示屏。

上述的采样时间间隔为6-15ms。

一种物理教学的动量守恒实验演示装置，包括条状的固定座，所述固定座上沿其纵向设有导轨，所述导轨上滑动连接有第一滑块和第二滑块，所述第一滑块包括设于其内的用于在动量守恒实验演示时向第二滑块施加推力的推动机构；所述第二滑块包括设于其内的N极向下S极向上的第一电磁铁以及第一供电模块，所述第一电磁铁通过供电开关与第一供电模块电连接；所述第一滑块和第二滑块的重量相同，它们在各自重力作用下分别对所述导轨的压力相同，且它们的底部与所述导轨之间的滑动摩擦系数相同；所述第二滑块上开设有配重块安装槽，所述配重块安装槽用于演示实验时在4个不同重量的配重块中更换并安装其中的一个配重块，从而使第一滑块和第二滑块的质量不相同；该物理教学的动量守恒实验演示装置还包括一个垂直于固定座纵向产生向上方向磁场的磁场发生装置；所述第一供电模块包括4个档位的供电电压输出端口，所述供电开关包括与该4个档位的供电电压输出端口一一对应的第一供电开关、第二供电开关、第三供电开关以及第四供电开关；所述的4个不同重量的配重块包括第一配重块、第二配重块、第三配重块以及第四配重块；所述第一配重块对应于第一供电开关，当接通第一供电开关时，所述第一供电模块通过与第一供电开关所对应的供电电压输出端口向第一电磁铁供电，使得第一电磁铁与磁场发生装置之间所产生的磁斥力刚好能够抵消安装于第二滑块上的第一配重块的重量；所述第二配重块对应于第二供电开关，当接通第二供电开关时，所述第一供电模块通过与第二供电开关所对应的供电电压输出端口向第一电磁铁供电，使得第一电磁铁与磁场发生装置之间所产生的磁斥力刚好能够抵消安装于第二滑块上的第二配重块的重量；所述第三配重块对应于第三供电开关，当接通第三供电开关时，所述第一供电模块通过与第三供电开关所对应的供电电压输出端口向第一电磁铁供电，使得第一电磁铁与磁场发生装置之间所产生的磁斥力刚好能够抵消安装于第二滑块上的第三配重块的重量；所述第四配重块对应于第四供电开关，当接通第四供电开关时，所述第一供电模块通过与第四供电开关所对应的供电电压输出端口向第一电磁铁供电，使得第一电磁铁与磁场发生装置之间所产生的磁斥力刚好能够抵消安装于第二滑块上的第四配重块的重量；所述固定座上还设有分别用于测量第一滑块位移以及第二滑块位移的位移测量装置；所述推动机构通过推动控制开关与控制器信号连接，控制器分别与位移测量装置、演示结果显示屏以及演示启动开关信号连接；所述演示启动开关用于向所述控制器发送演示信号，所述控制器接收到所述演示信号后控制所述推动控制开关使推动机构执行推动动作，使第一滑块和第二滑块向相反的方向滑动；所述位移测量装置用于在第一滑块和第二滑块滑动的过程中，实时测量第一滑块以及第二滑块的位移值，并将所测的位移值实时发送给所述控制器，所述控制器以设定的采样时间间隔同时采集第一滑块的位移值以及第二滑块的位移值；对于每一滑块，以某一采样时间间隔内所采集的滑块的位移与该采样时间间隔的上一个相邻采样时间间隔内所采集的滑块的位移的差值除以采样时间间隔值作为该滑块在该采样时间间隔内的平均速度，以该平均速度与该滑块的质量积作为该滑块在该采样时间间隔内所采集的滑块的动量值，其中第二滑块此时的质量包括安装于其上的配重块质量，且与该配重块对应的的供电开关处于接通状态；所述控制器实时将第一滑块和第二滑块在每个采样时间间隔内所采集的动量值实时发送给所述演示结果显示屏，所述演示结果显示屏分别将实时接收到的第一滑块以及第二滑块在各采样时间间隔内所采集的动量值以纵坐标为动量坐标轴，横坐标为时间坐标轴的平面坐标系中予以显示。

上述控制器包括微处理器以及数据采集模块，所述微处理器分别与数据采集模块、演示启动开关、演示结果显示屏以及推杆控制开关信号连接，所述数据采集模块与位移测量装置信号连接；所述位移测量装置将所测位移值实时发送给所述数据采集模块，所述数据采集模块以设定的采样时间间隔同时采集第一滑块的位移值和第二滑块的位移值，并将所采集的第一滑块的位移值以及第二滑块的位移值发送给所述微处理器；对于每一滑块，所述微处理器以相邻采样时间间隔内滑块的位移的差值除以采样时间间隔值即得该滑块在该采样时间间隔内的平均速度，以该平均速度与该滑块的质量积作为该滑块在该采样时间间隔内的动量值；所述微处理器实时将第一滑块和第二滑块在每个采样时间间隔内的动量值实时发送给所述演示结果显示屏。

上述导轨上沿其纵向设有位移刻度值。

上述磁场发生装置包括多个设于固定座内部的沿固定座纵向排列的结构相同的第二电磁铁，各第二电磁铁的N极向上，S极向下，且各第二电磁铁分别与第二供电模块电连接；各第二电磁铁沿所述固定座纵向产生一方向向上的与第一电磁铁N极磁场相斥的电磁场。

上述配重块通过螺栓固定于所述配重块安装槽内。

上述推动机构是电动推杆，所述电动推杆还包括固定于其推杆头上的推板。

上述导轨的左右两端均设有限位块，所述限位块上设有用于缓冲撞击力的海绵层；所述位移测量装置是直线位移测量装置，所述直线位移测量装置具体是直线位移传感器；所述微处理器是PLC控制器或者型号为AT89C2051的单片机。

本发明的有益效果：本发明提供了一种物理教学的动量守恒实验演示方法及装置，其装置包括用于动量演示的第一滑块和第二滑块，通过在第二滑块上装设不同质量规格的配重块使演示过程中第二滑块和第一滑块的质量不同，同时通过磁场发生装置沿演示导轨纵向产生一向上的磁场，通过第二滑块内部的磁场磁力可调的电磁铁来生成一与磁场发生装置所产生的磁场在纵向方向相斥的磁力，从而抵消第二滑块上的配重块的重力，使得在演示过程中第一滑块和第二滑块对演示轨道的压力相同，而第一滑块和第二滑块与演示轨道之间的滑动摩擦系数以及接触面积也相同，因此确保了演示过程中第一滑块以及第二滑块受到的演示轨道的摩擦力也相同，因此满足了动量守恒定律的系统受到的合力为零的条件，达到了使用不同质量的运动滑块组成的系统进行动量守恒演示的目的。通过位移测量装置实时测量各滑块在导轨上的位移值，通过数据采集模块在采样时间间隔内采集位移测量装置所测量的位移值，通过该采集方式，在连续的各采样时间间隔内对滑块位移进行采样，同时结合采样时间间隔的时长，计算出各采样时间间隔内的滑块平均速度，以该平均速度作为滑块在演示过程中某一采样时间间隔内采样时刻的瞬时速度，再将该滑块的瞬时速度与滑块自身的质量相乘得到的值作为该滑块在该时刻的动量值，同时将演示过程中所有采样时间间隔内的动量值显示在演示结果显示屏上，从而形成一条连续的时间-动量曲线，则在演示结果显示屏上会同时显示出第一滑块和第二滑块的时间-动量曲线来，学生从演示结果显示屏上即可同时获知在同一演示时间内的第一滑块和第二滑块的动量值，第一滑块和第二滑块的时间-动量曲线为对称于时间轴(t轴)的上下的两条曲线，则在任意一个时间点上能够看出两个滑块的动量值大小相等方向相反，则完整的验证了两个滑块在相同的摩擦力下即使它们的质量不同，但它们在演示中的任意时刻其动量值大小相等方向相反，即动量值之合为零，则从瞬时时间上也验证了动量守恒定律。综上，本发明装置能够对不同质量的运动滑块组成的系统进行动量守恒演示，同时还能够使学生在演示过程中的任意时间点上感知到系统运动过程中的动量守恒原理，能够使学生更加全面的从时、空两个维度上理解并感知动量守恒定律，使学生对动量守恒定律更全面更客观的深入理解并掌握。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为本发明装置的数据采集及动量数值显示的系统框图；

图3为本发明装置的第一电磁铁和磁场发生装置的电系统框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明实施例提供了一种物理教学的动量守恒实验演示方法及装置，其方法包括如下步骤：

1)在固定座1上设置导轨2，在导轨2上设置与导轨2滑动连接的第一滑块3以及第二滑块4，其中第一滑块3包括设于其内部的推动机构，第二滑块4包括设于其内部的磁场方向向下且磁场强度可调的第一电磁铁9，同时第二滑块4上开设有配重块安装槽16；所述第一滑块3以及第二滑块4对导轨2的压力相等，且它们与导轨2之间的滑动摩擦系数相同；

2)通过磁场发生装置7在导轨2区域内产生一方向向上的磁场，使磁场发生装置7所产生的磁场与第一电磁铁9所产生的磁场在竖直方向相斥，通过调整第一电磁铁9的磁场磁力大小，使第一电磁铁9所产生的磁场和磁场发生装置7所产生的磁场之间的磁斥力大小与安装在第二滑块4上的配重块15的重量相等；

3)启动推动机构，使第一滑块3和第二滑块4之间产生相斥的力并做相互远离的滑动；

4)在第一滑块3和第二滑块4滑动的过程中，通过位移测量装置21实时测量第一滑块3以及第二滑块4的位移值，并将所测的位移值实时发送给控制器19，所述控制器19以设定的采样时间间隔同时采集第一滑块3的位移值以及第二滑块4的位移值；对于每一滑块，以某一采样时间间隔内所采集的滑块的位移与该采样时间间隔的上一个相邻采样时间间隔内所采集的滑块的位移的差值除以采样时间间隔值作为该滑块在该采样时间间隔内的平均速度，以该平均速度与该滑块的质量积作为该滑块在该采样时间间隔内所采集的滑块的动量值，其中第二滑块4此时的质量还包括安装于其上的配重块15质量；

5)所述控制器19实时将第一滑块3和第二滑块4在每个采样时间间隔内所采集的动量值实时发送给演示结果显示屏22，所述演示结果显示屏22分别将实时接收到的第一滑块3以及第二滑块4在各采样时间间隔内所采集的动量值以纵坐标为动量坐标轴23，横坐标为时间坐标轴24的平面坐标系中予以显示。

进一步地，所述控制器19包括微处理器以及数据采集模块；所述位移测量装置21将所测位移值实时发送给所述数据采集模块，所述数据采集模块以设定的采样时间间隔同时采集第一滑块3的位移值和第二滑块4的位移值，并将所采集的第一滑块3的位移值以及第二滑块4的位移值发送给所述微处理器；对于每一滑块，所述微处理器以相邻采样时间间隔内滑块的位移值的差值除以采样时间间隔值即得该滑块在该采样时间间隔内的平均速度，以该平均速度与该滑块的质量积作为该滑块在该采样时间间隔内的动量值；所述微处理器实时将第一滑块3和第二滑块4在每个采样时间间隔内的动量值实时发送给所述演示结果显示屏22。

进一步地，所述的采样时间间隔为6-15ms。

参见图1、图2以及图3，本发明提供的物理教学的动量守恒实验演示装置，包括条状的固定座1，所述固定座1上沿其纵向设有导轨2，所述导轨2上滑动连接有第一滑块3和第二滑块4，所述第一滑块3包括设于其内的用于在动量守恒实验演示时向第二滑块4施加推力的推动机构；所述第二滑块4包括设于其内的N极向下S极向上的第一电磁铁9以及第一供电模块11，所述第一电磁铁9通过供电开关10与第一供电模块11电连接；所述第一滑块3和第二滑块4的重量相同，它们在各自重力作用下分别对所述导轨2的压力相同，且它们的底部与所述导轨2之间的滑动摩擦系数相同；所述第二滑块4上开设有配重块安装槽16，所述配重块安装槽16用于演示实验时在4个不同重量的配重块15中更换并安装其中的一个配重块15，从而使第一滑块3和第二滑块4的质量不相同，它们的质量相差值为所安装配重块15的质量；该物理教学的动量守恒实验演示装置还包括一个垂直于固定座1纵向产生向上方向磁场的磁场发生装置7；参见图3，所述第一供电模块11包括4个档位的供电电压输出端口，所述供电开关10包括与该4个档位的供电电压输出端口一一对应的第一供电开关10-1、第二供电开关10-2、第三供电开关10-3以及第四供电开关10-4；所述的4个不同重量的配重块15包括第一配重块、第二配重块、第三配重块以及第四配重块；所述第一配重块对应于第一供电开关10-1，当接通第一供电开关10-1时，所述第一供电模块11通过与第一供电开关10-1所对应的供电电压输出端口向第一电磁铁9供电，使得第一电磁铁9与磁场发生装置7之间所产生的磁斥力刚好能够抵消安装于第二滑块4上的第一配重块的重量；所述第二配重块对应于第二供电开关10-2，当接通第二供电开关10-2时，所述第一供电模块11通过与第二供电开关10-2所对应的供电电压输出端口向第一电磁铁9供电，使得第一电磁铁9与磁场发生装置7之间所产生的磁斥力刚好能够抵消安装于第二滑块4上的第二配重块的重量；所述第三配重块对应于第三供电开关10-3，当接通第三供电开关10-3时，所述第一供电模块11通过与第三供电开关10-3所对应的供电电压输出端口向第一电磁铁9供电，使得第一电磁铁9与磁场发生装置7之间所产生的磁斥力刚好能够抵消安装于第二滑块4上的第三配重块的重量；所述第四配重块对应于第四供电开关10-4，当接通第四供电开关10-4时，所述第一供电模块11通过与第四供电开关10-4所对应的供电电压输出端口向第一电磁铁9供电，使得第一电磁铁9与磁场发生装置7之间所产生的磁斥力刚好能够抵消安装于第二滑块4上的第四配重块的重量；所述固定座1上还设有分别用于测量第一滑块3位移以及第二滑块4位移的位移测量装置21；所述推动机构通过推动控制开关13与控制器19信号连接，控制器19分别与位移测量装置21、演示结果显示屏22以及演示启动开关20信号连接；所述演示启动开关20用于向所述控制器19发送演示信号，所述控制器19接收到所述演示信号后控制所述推动控制开关13使推动机构执行推动动作，使第一滑块3和第二滑块4向相反的方向滑动；所述位移测量装置21用于在第一滑块3和第二滑块4滑动的过程中，实时测量第一滑块3以及第二滑块4的位移值，并将所测的位移值实时发送给所述控制器19，所述控制器19以设定的采样时间间隔同时采集第一滑块3的位移值以及第二滑块4的位移值；对于每一滑块，以某一采样时间间隔内所采集的滑块的位移与该采样时间间隔的上一个相邻采样时间间隔内所采集的滑块的位移的差值除以采样时间间隔值作为该滑块在该采样时间间隔内的平均速度，以该平均速度与该滑块的质量积作为该滑块在该采样时间间隔内所采集的滑块的动量值，其中第二滑块4此时的质量包括安装于其上的配重块15质量，且与该配重块15对应的的供电开关处于接通状态；所述控制器19实时将第一滑块3和第二滑块4在每个采样时间间隔内所采集的动量值实时发送给所述演示结果显示屏22，所述演示结果显示屏22分别将实时接收到的第一滑块3以及第二滑块4在各采样时间间隔内所采集的动量值以纵坐标为动量坐标轴23，横坐标为时间坐标轴24的平面坐标系中予以显示。

进一步地，参见图2，所述控制器19包括微处理器、计时模块以及数据采集模块，所述微处理器分别与数据采集模块、演示启动开关、演示结果显示屏以及推杆控制开关信号连接，所述数据采集模块与位移测量装置21信号连接；所述位移测量装置21将所测位移值实时发送给所述数据采集模块，所述数据采集模块以设定的采样时间间隔同时采集第一滑块3的位移值和第二滑块4的位移值，并将所采集的第一滑块3的位移值以及第二滑块4的位移值发送给所述微处理器；所述计时模块用于微处理器确定采样时间间隔进行计时确认；对于每一滑块，所述微处理器以相邻采样时间间隔内滑块的位移值的差值除以采样时间间隔值即得该滑块在该采样时间间隔内的平均速度，以该平均速度与该滑块的质量积作为该滑块在该采样时间间隔内的动量值；所述微处理器实时将第一滑块3和第二滑块4在每个采样时间间隔内的动量值实时发送给所述演示结果显示屏22，则所采集的第一滑块和第二滑块的动量值在演示结果显示屏上显示为在时间轴t轴上下的两条对称的曲线，则在任意一个时间点上能够看出两个滑块的动量值大小相等方向相反，则完整的验证了两个滑块在相同的摩擦力下即使它们的质量不同，但它们在演示中的任意时刻其动量值大小相等方向相反，即动量值之合为零，则验证了动量守恒定律。

本发明装置的基本工作原理：本发明装置包括用于动量演示的第一滑块和第二滑块，通过在第二滑块上装设不同质量规格的配重块使演示过程中第二滑块和第一滑块的质量不同，同时通过磁场发生装置沿演示导轨纵向产生一向上的磁场，通过第二滑块内部的磁场磁力可调的电磁铁来生成一与磁场发生装置所产生的磁场在纵向方向相斥的磁力，从而抵消第二滑块上的配重块的重力，使得在演示过程中第一滑块和第二滑块对演示轨道的压力相同，而第一滑块和第二滑块与演示轨道之间的滑动摩擦系数以及接触面积也相同，因此确保了演示过程中第一滑块以及第二滑块受到的演示轨道的摩擦力也相同，因此满足了动量守恒定律的系统受到的合力为零的条件，达到了使用不同质量的运动滑块组成的系统进行动量守恒演示的目的。通过位移测量装置实时测量各滑块在导轨上的位移值，通过数据采集模块在采样时间间隔内采集位移测量装置所测量的位移值，通过该采集方式，在连续的各采样时间间隔内对滑块位移进行采样，同时结合采样时间间隔的时长，计算出各采样时间间隔内的滑块平均速度，以该平均速度作为滑块在演示过程中某一采样时间间隔内采样时刻的瞬时速度，再将该滑块的瞬时速度与滑块自身的质量相乘得到的值作为该滑块在该时刻的动量值，同时将演示过程中所有采样时间间隔内的动量值显示在演示结果显示屏上，从而形成一条连续的时间-动量曲线，则在演示结果显示屏上会同时显示出第一滑块和第二滑块的时间-动量曲线来，学生从演示结果显示屏上即可同时获知在同一演示时间内的第一滑块和第二滑块的动量值，第一滑块和第二滑块的时间-动量曲线为对称于时间轴(t轴)的上下的两条曲线，则在任意一个时间点上能够看出两个滑块的动量值大小相等方向相反，则完整的验证了两个滑块在相同的摩擦力下即使它们的质量不同，但它们在演示中的任意时刻其动量值大小相等方向相反，即动量值之合为零，则从瞬时时间上也验证了动量守恒定律。

进一步地，所述导轨2上沿其纵向设有位移刻度值17。

进一步地，所述磁场发生装置7包括多个设于固定座1内部的沿固定座1纵向排列的结构相同的第二电磁铁8，各第二电磁铁8的N极向上，S极向下，且各第二电磁铁8分别与第二供电模块电连接；各第二电磁铁8沿所述固定座1纵向产生一方向向上的与第一电磁铁9N极磁场相斥的电磁场。所述第一电磁铁9受到磁场发生装置7向上的磁场斥力恰好抵消了第二滑块4上所安装的配重块15的重量，从而使得第一滑块3和第二滑块4对所述导轨2的压力相同，而第一滑块3和第二滑块4与导轨2之间的滑动摩擦系数又相同，因此实现了第一滑块3和第二滑块4在质量不同但受到导轨2摩擦阻力相同的情况下的动量守恒实验条件(注意，此时第二滑块质量还包括安装于其上的配重块的质量)。

进一步地，所述配重块15通过螺栓14固定于所述配重块安装槽16内。配重块一个四个，每个配重块的高度相同，其中部均设有一条纵向的螺栓通道，各配重块的宽度不同，从而使得各配重块的重量不同。

进一步地，所述推动机构是电动推杆12，所述电动推杆12还包括固定于其推杆头上的推板18。通过推板能够增大推力面积，可以很平稳的推动第二滑块。

进一步地，所述的采样时间间隔为6-15ms，如果第一滑块和第二滑块在演示中滑动的总时间为1.5s，则采样点的个数为：1500/15～1500/6个，即100～250个采样点，则这一两百个采样点形成的动量数据足够在演示结果显示屏上显示出一条动量-时间曲线来，能够满足学生对动量守恒在瞬时测量时间点上守恒的观察需求。

进一步地，所述导轨2的左右两端均设有限位块，所述限位块上设有用于缓冲撞击力的海绵层。该海绵层可以阻止滑块继续滑动，从而使滑块在导轨末端的时候结束演示。

进一步地，所述微处理器是PLC控制器或者型号为AT89C2051的单片机。所述位移测量装置21是直线位移测量装置，所述直线位移测量装置具体是直线位移传感器。

综上所述，本发明提供了一种物理教学的动量守恒实验演示方法及装置，其装置包括用于动量演示的第一滑块和第二滑块，通过在第二滑块上装设不同质量规格的配重块使演示过程中第二滑块和第一滑块的质量不同，同时通过磁场发生装置沿演示导轨纵向产生一向上的磁场，通过第二滑块内部的磁场磁力可调的电磁铁来生成一与磁场发生装置所产生的磁场在纵向方向相斥的磁力，从而抵消第二滑块上的配重块的重力，使得在演示过程中第一滑块和第二滑块对演示轨道的压力相同，而第一滑块和第二滑块与演示轨道之间的滑动摩擦系数以及接触面积也相同，因此确保了演示过程中第一滑块以及第二滑块受到的演示轨道的摩擦力也相同，因此满足了动量守恒定律的系统受到的合力为零的条件，达到了使用不同质量的运动滑块组成的系统进行动量守恒演示的目的。通过位移测量装置实时测量各滑块在导轨上的位移值，通过数据采集模块在采样时间间隔内采集位移测量装置所测量的位移值，通过该采集方式，在连续的各采样时间间隔内对滑块位移进行采样，同时结合采样时间间隔的时长，计算出各采样时间间隔内的滑块平均速度，以该平均速度作为滑块在演示过程中某一采样时间间隔内采样时刻的瞬时速度，再将该滑块的瞬时速度与滑块自身的质量相乘得到的值作为该滑块在该时刻的动量值，同时将演示过程中所有采样时间间隔内的动量值显示在演示结果显示屏上，从而形成一条连续的时间-动量曲线，则在演示结果显示屏上会同时显示出第一滑块和第二滑块的时间-动量曲线来，学生从演示结果显示屏上即可同时获知在同一演示时间内的第一滑块和第二滑块的动量值，第一滑块和第二滑块的时间-动量曲线为对称于时间轴(t轴)的上下的两条曲线，则在任意一个时间点上能够看出两个滑块的动量值大小相等方向相反，则完整的验证了两个滑块在相同的摩擦力下即使它们的质量不同，但它们在演示中的任意时刻其动量值大小相等方向相反，即动量值之合为零，则从瞬时时间上也验证了动量守恒定律。综上，本发明装置能够对不同质量的运动滑块组成的系统进行动量守恒演示，同时还能够使学生在演示过程中的任意时间点上感知到系统运动过程中的动量守恒原理，能够使学生更加全面的从时、空两个维度上理解并感知动量守恒定律，使学生对动量守恒定律更全面更客观的深入理解并掌握。

需要强调的是，本发明对于动量守恒演示来说，在人眼察觉和反应的生理条件下，所提供的演示精度完全能够满足学生的演示观看要求，其中存在必不可少的实验误差，包括空气对体积大小不同的滑块的阻力有一定差别(但由于演示速度较低因此可忽略)，对时间采样间隔中进行相关物理量的采样并进行计算的误差，将瞬时很短的时间采样间隔(6-15ms)中的平均速度作为瞬时速度所带来的误差，磁场发生装置所提供的磁场不能百分之百的达到均匀磁场的误差(但就现有技术来说，完全可以提供满足本技术方案实验演示要求的磁场)。虽然上述这些误差均会对实验带来一定的误差，但从演示效果上来说，就人眼观察的生理精准度来说完全可以忽略，因此，本发明技术方案完全能够满足学生在动量守恒定律学习过程中的演示要求。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种物理教学的动量守恒实验演示方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在固定座(1)上设置导轨(2)，在导轨(2)上设置与导轨(2)滑动连接的第一滑块(3)以及第二滑块(4)，其中第一滑块(3)包括设于其内部的推动机构，第二滑块(4)包括设于其内部的磁场方向向下且磁场强度可调的第一电磁铁(9)，同时第二滑块(4)上开设有配重块安装槽(16)；所述第一滑块(3)以及第二滑块(4)对导轨(2)的压力相等，且它们与导轨(2)之间的滑动摩擦系数相同；

2)通过磁场发生装置(7)在导轨(2)区域内产生一方向向上的磁场，使磁场发生装置(7)所产生的磁场与第一电磁铁(9)所产生的磁场在竖直方向相斥，通过调整第一电磁铁(9)的磁场磁力大小，使第一电磁铁(9)所产生的磁场和磁场发生装置(7)所产生的磁场之间的磁斥力大小与安装在第二滑块(4)上的配重块(15)的重量相等；

3)启动推动机构，使第一滑块(3)和第二滑块(4)之间产生相斥的力并做相互远离的滑动；

4)在第一滑块(3)和第二滑块(4)滑动的过程中，通过位移测量装置(21)实时测量第一滑块(3)以及第二滑块(4)的位移值，并将所测的位移值实时发送给控制器(19)，所述控制器(19)以设定的采样时间间隔同时采集第一滑块(3)的位移值以及第二滑块(4)的位移值；对于每一滑块，以某一采样时间间隔内所采集的滑块的位移与该采样时间间隔的上一个相邻采样时间间隔内所采集的滑块的位移的差值除以采样时间间隔值作为该滑块在该采样时间间隔内的平均速度，以该平均速度与该滑块的质量积作为该滑块在该采样时间间隔内所采集的滑块的动量值，其中第二滑块(4)此时的质量还包括安装于其上的配重块(15)质量；

5)所述控制器(19)实时将第一滑块(3)和第二滑块(4)在每个采样时间间隔内所采集的动量值实时发送给演示结果显示屏(22)，所述演示结果显示屏(22)分别将实时接收到的第一滑块(3)以及第二滑块(4)在各采样时间间隔内所采集的动量值以纵坐标为动量坐标轴(23)，横坐标为时间坐标轴(24)的平面坐标系中予以显示。

2.如权利要求1所述的一种物理教学的动量守恒实验演示方法，其特征在于，所述控制器(19)包括微处理器以及数据采集模块；所述位移测量装置(21)将所测位移值实时发送给所述数据采集模块，所述数据采集模块以设定的采样时间间隔同时采集第一滑块(3)的位移值和第二滑块(4)的位移值，并将所采集的第一滑块(3)的位移值以及第二滑块(4)的位移值发送给所述微处理器；对于每一滑块，所述微处理器以相邻采样时间间隔内滑块的位移值的差值除以采样时间间隔值即得该滑块在该采样时间间隔内的平均速度，以该平均速度与该滑块的质量积作为该滑块在该采样时间间隔内的动量值；所述微处理器实时将第一滑块(3)和第二滑块(4)在每个采样时间间隔内的动量值实时发送给所述演示结果显示屏(22)。

3.如权利要求1或2所述的一种物理教学的动量守恒实验演示方法，其特征在于，所述的采样时间间隔为6-15ms。

4.一种物理教学的动量守恒实验演示装置，包括条状的固定座(1)，所述固定座(1)上沿其纵向设有导轨(2)，所述导轨(2)上滑动连接有第一滑块(3)和第二滑块(4)，所述第一滑块(3)包括设于其内的用于在动量守恒实验演示时向第二滑块(4)施加推力的推动机构；其特征在于，所述第二滑块(4)包括设于其内的N极向下S极向上的第一电磁铁(9)以及第一供电模块(11)，所述第一电磁铁(9)通过供电开关(10)与第一供电模块(11)电连接；所述第一滑块(3)和第二滑块(4)的重量相同，它们在各自重力作用下分别对所述导轨(2)的压力相同，且它们的底部与所述导轨(2)之间的滑动摩擦系数相同；所述第二滑块(4)上开设有配重块安装槽(16)，所述配重块安装槽(16)用于演示实验时在4个不同重量的配重块(15)中更换并安装其中的一个配重块(15)，从而使第一滑块(3)和第二滑块(4)的质量不相同；

该物理教学的动量守恒实验演示装置还包括一个垂直于固定座(1)纵向产生向上方向磁场的磁场发生装置(7)；所述第一供电模块(11)包括4个档位的供电电压输出端口，所述供电开关(10)包括与该4个档位的供电电压输出端口一一对应的第一供电开关(10-1)、第二供电开关(10-2)、第三供电开关(10-3)以及第四供电开关(10-4)；所述的4个不同重量的配重块(15)包括第一配重块、第二配重块、第三配重块以及第四配重块；所述第一配重块对应于第一供电开关(10-1)，当接通第一供电开关(10-1)时，所述第一供电模块(11)通过与第一供电开关(10-1)所对应的供电电压输出端口向第一电磁铁(9)供电，使得第一电磁铁(9)与磁场发生装置(7)之间所产生的磁斥力刚好能够抵消安装于第二滑块(4)上的第一配重块的重量；所述第二配重块对应于第二供电开关(10-2)，当接通第二供电开关(10-2)时，所述第一供电模块(11)通过与第二供电开关(10-2)所对应的供电电压输出端口向第一电磁铁(9)供电，使得第一电磁铁(9)与磁场发生装置(7)之间所产生的磁斥力刚好能够抵消安装于第二滑块(4)上的第二配重块的重量；所述第三配重块对应于第三供电开关(10-3)，当接通第三供电开关(10-3)时，所述第一供电模块(11)通过与第三供电开关(10-3)所对应的供电电压输出端口向第一电磁铁(9)供电，使得第一电磁铁(9)与磁场发生装置(7)之间所产生的磁斥力刚好能够抵消安装于第二滑块(4)上的第三配重块的重量；所述第四配重块对应于第四供电开关(10-4)，当接通第四供电开关(10-4)时，所述第一供电模块(11)通过与第四供电开关(10-4)所对应的供电电压输出端口向第一电磁铁(9)供电，使得第一电磁铁(9)与磁场发生装置(7)之间所产生的磁斥力刚好能够抵消安装于第二滑块(4)上的第四配重块的重量；

所述固定座(1)上还设有分别用于测量第一滑块(3)位移以及第二滑块(4)位移的位移测量装置(21)；所述推动机构通过推动控制开关(13)与控制器(19)信号连接，控制器(19)分别与位移测量装置(21)、演示结果显示屏(22)以及演示启动开关(20)信号连接；

所述演示启动开关(20)用于向所述控制器(19)发送演示信号，所述控制器(19)接收到所述演示信号后控制所述推动控制开关(13)使推动机构执行推动动作，使第一滑块(3)和第二滑块(4)向相反的方向滑动；

所述位移测量装置(21)用于在第一滑块(3)和第二滑块(4)滑动的过程中，实时测量第一滑块(3)以及第二滑块(4)的位移值，并将所测的位移值实时发送给所述控制器(19)，所述控制器(19)以设定的采样时间间隔同时采集第一滑块(3)的位移值以及第二滑块(4)的位移值；对于每一滑块，以某一采样时间间隔内所采集的滑块的位移与该采样时间间隔的上一个相邻采样时间间隔内所采集的滑块的位移的差值除以采样时间间隔值作为该滑块在该采样时间间隔内的平均速度，以该平均速度与该滑块的质量积作为该滑块在该采样时间间隔内所采集的滑块的动量值，其中第二滑块(4)此时的质量包括安装于其上的配重块(15)质量，且与该配重块(15)对应的的供电开关处于接通状态；所述控制器(19)实时将第一滑块(3)和第二滑块(4)在每个采样时间间隔内所采集的动量值实时发送给所述演示结果显示屏(22)，所述演示结果显示屏(22)分别将实时接收到的第一滑块(3)以及第二滑块(4)在各采样时间间隔内所采集的动量值以纵坐标为动量坐标轴(23)，横坐标为时间坐标轴(24)的平面坐标系中予以显示。

5.如权利要求4所述的一种物理教学的动量守恒实验演示装置，其特征在于，所述控制器(19)包括微处理器以及数据采集模块，所述微处理器分别与数据采集模块、演示启动开关、演示结果显示屏以及推杆控制开关信号连接，所述数据采集模块与位移测量装置(21)信号连接；所述位移测量装置(21)将所测位移值实时发送给所述数据采集模块，所述数据采集模块以设定的采样时间间隔同时采集第一滑块(3)的位移值和第二滑块(4)的位移值，并将所采集的第一滑块(3)的位移值以及第二滑块(4)的位移值发送给所述微处理器；对于每一滑块，所述微处理器以相邻采样时间间隔内滑块的位移值的差值除以采样时间间隔值即得该滑块在该采样时间间隔内的平均速度，以该平均速度与该滑块的质量积作为该滑块在该采样时间间隔内的动量值；所述微处理器实时将第一滑块(3)和第二滑块(4)在每个采样时间间隔内的动量值实时发送给所述演示结果显示屏(22)。

6.如权利要求4所述的一种物理教学的动量守恒实验演示装置，其特征在于，所述导轨(2)上沿其纵向设有位移刻度值(17)。

7.如权利要求4所述的一种物理教学的动量守恒实验演示装置，其特征在于，所述磁场发生装置(7)包括多个设于固定座(1)内部的沿固定座(1)纵向排列的结构相同的第二电磁铁(8)，各第二电磁铁(8)的N极向上，S极向下，且各第二电磁铁(8)分别与第二供电模块电连接；各第二电磁铁(8)沿所述固定座(1)纵向产生一方向向上的与第一电磁铁(9)N极磁场相斥的电磁场。

8.如权利要求4所述的一种物理教学的动量守恒实验演示装置，其特征在于，所述配重块(15)通过螺栓(14)固定于所述配重块安装槽(16)内。

9.如权利要求4所述的一种物理教学的动量守恒实验演示装置，其特征在于，所述推动机构是电动推杆(12)，所述电动推杆(12)还包括固定于其推杆头上的推板(18)。

10.如权利要求5所述的一种物理教学的动量守恒实验演示装置，其特征在于，所述导轨(2)的左右两端均设有限位块，所述限位块上设有用于缓冲撞击力的海绵层；所述位移测量装置(21)是直线位移测量装置，所述直线位移测量装置具体是直线位移传感器；所述微处理器是PLC控制器或者型号为AT89C2051的单片机。