CN108335588A - 一种测量重力加速度的教学仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量重力加速度的教学仪器，包括底座，所述底座的顶面上连接有垂直的支撑板，所述支撑板的两侧面上连接有对称设置的滑轨，所述滑轨上分别连接有多组光电门，所述光电门上设置有锁紧螺钉，光电门通过锁紧螺钉固定在滑轨上，所述支撑板的端面顶部安装有两个对称设置的第一气缸，所述第一气缸的活塞杆末端连接有第一弧形夹板，两个第一弧形夹板之间夹持有钢球，所述底座的顶面上安装有位于钢球正下方的承接座，所述承接座的顶面设置有的弧形凹槽。本发明结构合理，使用方便，可使学生同时完成两种重力测量实验，且可方便快速地设定多组实验参数，提升实验结果的准确性，增加了学生实验的趣味性，提升了教学效果。

Description

一种测量重力加速度的教学仪器

技术领域

本发明涉及教学仪器技术领域，尤其涉及一种测量重力加速度的教学仪器。

背景技术

重力加速度测量是中学物理课程的必学内容，在教学中，通用的测量重力加速度的方法有两种：一种是通过重物牵拉纸带在气垫导轨上快速移动，通过打点计时器记录相同时间间隔所对应的位移，通过读取纸带上相应的位移数值，再通过相应的计算公式算得重力加速度，但是此种方式存在着物体运动之间的摩擦，不是完全的自由落体运动，因而不可避免地带来测量的误差，同时也存在数据读取的误差，使得计算结果误差较大；另一种是通过单摆实验仪器，通过测量摆场的长度、摆球的直径，并通过人眼观察一定时间内摆动的次数，使用秒表记录对应的时间，人眼观察存在视觉误差，且容易记错摆动次数，摆球的松放和秒表的及时分别通过双手来操作，手部的抖动以及双手的不同步，都会造成记录数据的不准确，因而通过相关公式推算出来的重力加速度误差较大，只能作为一种感性的认识，不适宜实验验证。为此，我们提出一种测量重力加速度的教学仪器，来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种测量重力加速度的教学仪器。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种测量重力加速度的教学仪器，包括底座，所述底座的顶面上连接有垂直的支撑板，所述支撑板的两侧面上连接有对称设置的滑轨，所述滑轨上分别连接有多组光电门，所述光电门上设置有锁紧螺钉，光电门通过锁紧螺钉固定在滑轨上，所述支撑板的端面顶部安装有两个对称设置的第一气缸，所述第一气缸的活塞杆末端连接有第一弧形夹板，两个第一弧形夹板之间夹持有钢球，所述底座的顶面上安装有位于钢球正下方的承接座，所述承接座的顶面设置有的弧形凹槽，所述弧形凹槽内设置有软胶垫，所述承接座的内部嵌装有位于弧形凹槽正下方的电磁铁，所述底座的顶面上安装有控制器、电源和支架，所述支架的顶端安装有显示器，所述光电门、第一气缸、电磁铁、电源和显示器分别与控制器电性连接，所述底座的顶面连接有铰接座，所述铰接座位于支撑板的端面一侧且位于两个滑轨的正中间位置，所述铰接座的顶部铰接有夹持组件，所述支撑板的顶部连接有顶板，所述顶板的顶部安装有绕线机构，所述支撑板的端面上活动连接有位于钢球下方的导向管。

优选的，所述夹持组件包括铰接座顶端铰接的伸缩杆，所述伸缩杆的顶端铰接有连接头，所述连接头的顶端连接有托板，所述托板的顶部安装有两个对称设置的第二气缸，所述第二气缸的活塞杆端连接有第二弧形夹板。

优选的，所述绕线机构包括安装在顶板顶面上的两个轴座，所述轴座上转动连接有绕线辊，所述绕线辊上缠绕有细线，所述绕线辊的转轴一端连接有定位齿轮，轴座的底部连接有弹簧销，弹簧销插在定位齿轮的齿槽内，定位齿轮的外侧设置有摇动把手。

优选的，所述支撑板的端面上开设有水平的槽孔，槽孔内滑动连接有L型结构的定位板，定位板的水平端与导线管的外壁连接，定位板的垂直端位于支撑板远离导线管一侧的端面上，且定位板上设置有锁紧螺钉，定位板通过锁紧螺钉紧固在支撑板上。

优选的，所述支撑板的端面中心处开设有通孔，通孔的顶部边缘位于导线管底端的上方，通孔的底部边缘位于承接座的顶面的上方。

优选的，所述伸缩杆包括铰接在铰接座顶部的内杆，所述内杆的外部套接有外杆，外杆上的内壁上沿长度方向设置有滑槽，内杆的侧面上沿长度方向设置有滑条，滑条滑动嵌装在滑槽内，且外杆上设置有锁紧螺钉，外杆通过锁紧螺钉紧固在内杆上。

优选的，所述铰接座与伸缩杆的铰接处、伸缩杆与连接头的铰接处均设置有锁紧螺钉。

优选的，所述支撑板的端面两侧分别设置有刻度线，刻度线位于滑轨的内侧。

优选的，所述钢球的侧面上开设有穿线孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1.本发明通过在支撑板上设置滑轨，滑轨上活动连接有多组光电门，通过光电门捕获钢球自由下落过程的位置点，并通过控制器内的及时模块记录钢球通过相应位置点的时间，并在显示器上显示，通过位置点的位移值和对应的时间值，计算重力加速度，提高了实验测量结果的准确性；

2.本发明通过设置单摆实验装置，单摆实验装置采用角度可调的伸缩杆，伸缩杆的上方设置弧形夹板，并通过气缸驱动弧形夹板的分合，实现钢球的自动松放及松放点的任意设定，通过设置绕线机构实现单摆细线长度的任意设定，并通过导向管使单摆的中心点固定，通过多组单摆实验测定重力加速度，用以验证自由落体实验算得的实验结果；

本发明结构合理，使用方便，可使学生同时完成两种重力测量实验，两种实验相互验证，验证实验结果的合理性，且可方便快速地设定多组实验参数，通过多组实验提升实验结果的准确性，可激发学生的创造性思维和对实验研究探索的积极性，增加了学生实验的趣味性，提升了教学效果。

附图说明

图1为本发明提出的一种测量重力加速度的教学仪器的正视结构示意图；

图2为本发明提出的一种测量重力加速度的教学仪器的侧视结构示意图；

图3为本发明提出的一种测量重力加速度的教学仪器的夹持组件的局部结构示意图；

图4为本发明提出的一种测量重力加速度的教学仪器的绕线机构的局部结构示意图。

图中：1底座、2支撑板、3滑轨、4光电门、5第一气缸、6第一弧形夹板、7钢球、8承接座、9软胶垫、10电磁铁、11控制器、12电源、13显示器、14夹持组件、141伸缩杆、142连接头、143托板、144第二气缸、145第二弧形夹板、15绕线机构、151轴座、152绕线辊、153细线、154定位齿轮、155弹簧销、156摇动把手、16导向管、17定位板、18铰接座、19支架、20顶板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-4，一种测量重力加速度的教学仪器，包括底座1，底座1的顶面上连接有垂直的支撑板2，支撑板2的两侧面上连接有对称设置的滑轨3，支撑板2的端面两侧分别设置有刻度线，刻度线位于滑轨3的内侧，滑轨3上分别连接有多组光电门4，光电门4上设置有锁紧螺钉，光电门通过锁紧螺钉固定在滑轨3上，支撑板2的端面顶部安装有两个对称设置的第一气缸5，第一气缸5的活塞杆末端连接有第一弧形夹板6，两个第一弧形夹板6之间夹持有钢球7，钢球7的侧面上开设有穿线孔，底座1的顶面上安装有位于钢球7正下方的承接座8，承接座8的顶面设置有的弧形凹槽，弧形凹槽内设置有软胶垫9，承接座8的内部嵌装有位于弧形凹槽正下方的电磁铁10，底座1的顶面上安装有控制器11、电源16和支架19，控制器11采用STC89C51单片机为主控芯片，主控芯片的控制程序中设置有计时模块和计数模块，支架19的顶端安装有显示器13，光电门4、第一气缸5、电磁铁10、电源16和显示器13分别与控制器11电性连接，底座1的顶面连接有铰接座18，铰接座18位于支撑板2的端面一侧且位于两个滑轨3的正中间位置，铰接座18的顶部铰接有夹持组件14，夹持组件14包括铰接座18顶端铰接的伸缩杆141，伸缩杆141包括铰接在铰接座18顶部的内杆，内杆的外部套接有外杆，外杆上的内壁上沿长度方向设置有滑槽，内杆的侧面上沿长度方向设置有滑条，滑条滑动嵌装在滑槽内，且外杆上设置有锁紧螺钉，外杆通过锁紧螺钉紧固在内杆上，伸缩杆141的顶端铰接有连接头142，铰接座18与伸缩杆141的铰接处、伸缩杆141与连接头142的铰接处均设置有锁紧螺钉，连接头142的顶端连接有托板143，托板143的顶部安装有两个对称设置的第二气缸144，第二气缸144的活塞杆端连接有第二弧形夹板145，支撑板2的顶部连接有顶板20，顶板20的顶部安装有绕线机构15，绕线机构15包括安装在顶板20顶面上的两个轴座151，轴座151上转动连接有绕线辊152，绕线辊152上缠绕有细线153，绕线辊152的转轴一端连接有定位齿轮154，轴座151的底部连接有弹簧销155，弹簧销155插在定位齿轮154的齿槽内，定位齿轮154的外侧设置有摇动把手156，支撑板2的端面上活动连接有位于钢球7下方的导向管16，支撑板2的端面上开设有水平的槽孔，槽孔内滑动连接有L型结构的定位板17，定位板17的水平端与导线管16的外壁连接，定位板17的垂直端位于支撑板2远离导线管16一侧的端面上，且定位板17上设置有锁紧螺钉，定位板17通过锁紧螺钉紧固在支撑板2上，支撑板2的端面中心处开设有通孔，通孔的顶部边缘位于导线管16底端的上方，通孔的底部边缘位于承接座8的顶面的上方。

工作原理：本发明在使用时，先旋松光电门4上的锁紧螺钉，调整各光电门4在滑轨3上的位置，通过支撑板2上的刻度线确定检测位置点的位移值，通过控制器11启动系统并初始化，控制器11两个控制第一气缸5同时动作，使钢球7自由下落，同时控制器11内的计时模块开始计时、计数模块开始计数，并将相应值在显示器13上实时显示，当钢球7下落至最上方的光电门14的检测位置时，光电门14发出检测信号至控制器11，控制器11内的计时模块记录相应的时间点，并在显示器13上显示并保持，控制器11内的计数模块数值增1，并在显示器13上显示，同样的，钢球17继续下落，依次穿过多个光电门4，获得多个对应的时间点，通过自由落体位移公式h＝gt²/2，将各位置点相对应的位移值和对应的时间点值代入公式，求得多组重力加速度g的值，取多组数据的平均值，即获得相应的重力加速度，钢球7下落过程中，电磁铁10通电，形成磁场，钢球7下落至承接座8内的软胶垫9上，并被电磁铁10吸附，防止钢球7落地后被碰撞弹出，并方便下一次的实验；旋松定位板17上的锁紧螺钉，将导向管16调整至支撑板2的中心位置，将绕线辊152上的细线153的端部穿过顶板20和导向板16后栓在钢球7的穿线孔中，旋松夹持组件14上的锁紧螺钉，调整伸缩杆141的角度和长度，从而调整第二气缸144和第二弧形夹板145的位置，将钢球7放置在两个第二弧形夹板145之间，并通过控制器11控制两个第二气缸144同时工作，推动第二弧形夹板145将钢球7夹紧，而后拔出弹簧销155，通过摇动把手156将细线153缠绕在绕线辊152上，细线153绷紧后，放下弹簧销155，弹簧销155卡接在定位齿轮154的齿槽内，完成单摆实验的参数设定，量取导向管16底端与钢球7之间细线153的长度及钢球7的直径，获得单摆运动的摆长，调整光电门4在滑轨3上的位置，使此光电门4的检测位置点在支撑板2上的刻度线的对应值与摆长相同，通过控制器11控制两个第二气缸144同时工作，将两个第二弧形夹板145快速分离，则钢球7开始做单摆间歇运动，控制器11内的计时模块开始计时，钢球7下落至光电门14的检测位置时，光电门14发出检测信号至控制器11，控制器11内的计时模块记录相应的时间点，并在显示器13上显示并保持，控制器11内的计数模块数值增1，并在显示器13上显示，通过时间值和次数，可计算出单摆运动的周期，配合对应的摆长计算出相应的重力加速度，通过改变导向管16下端细线153的长度，及伸缩杆141的角度和长度，可设定多种参数的单摆实验，获得多组计算值，取平均值，获得最终实验结果，此结果可与前述自由落体实验的结果相互验证。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测量重力加速度的教学仪器，包括底座(1)，其特征在于，所述底座(1)的顶面上连接有垂直的支撑板(2)，所述支撑板(2)的两侧面上连接有对称设置的滑轨(3)，所述滑轨(3)上分别连接有多组光电门(4)，所述光电门(4)上设置有锁紧螺钉，光电门通过锁紧螺钉固定在滑轨(3)上，所述支撑板(2)的端面顶部安装有两个对称设置的第一气缸(5)，所述第一气缸(5)的活塞杆末端连接有第一弧形夹板(6)，两个第一弧形夹板(6)之间夹持有钢球(7)，所述底座(1)的顶面上安装有位于钢球(7)正下方的承接座(8)，所述承接座(8)的顶面设置有的弧形凹槽，所述弧形凹槽内设置有软胶垫(9)，所述承接座(8)的内部嵌装有位于弧形凹槽正下方的电磁铁(10)，所述底座(1)的顶面上安装有控制器(11)、电源(16)和支架(19)，所述支架(19)的顶端安装有显示器(13)，所述光电门(4)、第一气缸(5)、电磁铁(10)、电源(16)和显示器(13)分别与控制器(11)电性连接，所述底座(1)的顶面连接有铰接座(18)，所述铰接座(18)位于支撑板(2)的端面一侧且位于两个滑轨(3)的正中间位置，所述铰接座(18)的顶部铰接有夹持组件(14)，所述支撑板(2)的顶部连接有顶板(20)，所述顶板(20)的顶部安装有绕线机构(15)，所述支撑板(2)的端面上活动连接有位于钢球(7)下方的导向管(16)。

2.根据权利要求1所述的一种测量重力加速度的教学仪器，其特征在于，所述夹持组件(14)包括铰接座(18)顶端铰接的伸缩杆(141)，所述伸缩杆(141)的顶端铰接有连接头(142)，所述连接头(142)的顶端连接有托板(143)，所述托板(143)的顶部安装有两个对称设置的第二气缸(144)，所述第二气缸(144)的活塞杆端连接有第二弧形夹板(145)。

3.根据权利要求1所述的一种测量重力加速度的教学仪器，其特征在于，所述绕线机构(15)包括安装在顶板(20)顶面上的两个轴座(151)，所述轴座(151)上转动连接有绕线辊(152)，所述绕线辊(152)上缠绕有细线(153)，所述绕线辊(152)的转轴一端连接有定位齿轮(154)，轴座(151)的底部连接有弹簧销(155)，弹簧销(155)插在定位齿轮(154)的齿槽内，定位齿轮(154)的外侧设置有摇动把手(156)。

4.根据权利要求1所述的一种测量重力加速度的教学仪器，其特征在于，所述支撑板(2)的端面上开设有水平的槽孔，槽孔内滑动连接有L型结构的定位板(17)，定位板(17)的水平端与导线管(16)的外壁连接，定位板(17)的垂直端位于支撑板(2)远离导线管(16)一侧的端面上，且定位板(17)上设置有锁紧螺钉，定位板(17)通过锁紧螺钉紧固在支撑板(2)上。

5.根据权利要求1所述的一种测量重力加速度的教学仪器，其特征在于，所述支撑板(2)的端面中心处开设有通孔，通孔的顶部边缘位于导线管(16)底端的上方，通孔的底部边缘位于承接座(8)的顶面的上方。

6.根据权利要求2所述的一种测量重力加速度的教学仪器，其特征在于，所述伸缩杆(141)包括铰接在铰接座(18)顶部的内杆，所述内杆的外部套接有外杆，外杆上的内壁上沿长度方向设置有滑槽，内杆的侧面上沿长度方向设置有滑条，滑条滑动嵌装在滑槽内，且外杆上设置有锁紧螺钉，外杆通过锁紧螺钉紧固在内杆上。

7.根据权利要求2所述的一种测量重力加速度的教学仪器，其特征在于，所述铰接座(18)与伸缩杆(141)的铰接处、伸缩杆(141)与连接头(142)的铰接处均设置有锁紧螺钉。

8.根据权利要求1所述的一种测量重力加速度的教学仪器，其特征在于，所述支撑板(2)的端面两侧分别设置有刻度线，刻度线位于滑轨(3)的内侧。

9.根据权利要求1所述的一种测量重力加速度的教学仪器，其特征在于，所述钢球(7)的侧面上开设有穿线孔。