CN108766134A - 一种自由落体运动实验器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种自由落体运动实验器及其控制方法，包括n形状的支架，支架固定在底座上；支架的横梁中间固定连接电磁铁；支架的两个竖直部分的中间位置安装光电门；底座上部设置接收装置用以接收实验对象；所述实验对象为栅栏板；栅栏板上均匀分布黑白色相间的条纹；所述条纹之间的间隔相等；所述栅栏板的上端固定安装铁片与电磁铁安装座相吸付；当栅栏板下降时落入所述的接收装置。本发明主要根据高中物理力学教学内容以及教学要求进行设计实验装置。即物体在只受重力的情况下，忽略阻力的影响，是做匀加速直线运动，加速度即为重力加速度g。本发明可以定量地研究物体自由下落的运动规律，并能精确地测出重力加速度。
Description
技术领域
本发明涉及物理教学实验器材领域，具体涉及一种自由落体运动实验器及其控制方法。
背景技术
物体只受重力的作用下，忽略阻力的影响，初速度为零的运动，叫做自由落体运动。自由落体运动是匀加速直线运动，加速度恒等于重力加速度g。在该教学实验中的实验目的为定量地研究物体自由下落的运动规律，并能测出重力加速度。传统的实验手段为利用纸带下落，打点计时器在纸带上打出一个个点，通过尺子测量一个个点的距离，算出速度与加速度；存在以下的缺点：1.实验操作繁琐，数据计算繁琐，占用过多时间；2.纸带摩擦大，对数据结果影响大；速度快时，打点计时器打出来的花点多，取点麻烦。3.数据需要人工用尺子测量，实验数据误差太大，一般为2％，不够精确。因此出现了使用光电门和栅栏板测重力加速度传感器技术的新一代的实验器，但是还是存在以下的缺点：结构复杂，整体尺寸太大；搭建麻烦，需要安装光电门，且光电门数量较多，走线较乱；操作不方便；释放重物时，不能自动释放，只能手动释放重物，释放时重物可能就倾斜，影响每次的实验结果；没有重物的接收装置，影响操作体验的同时，也容易损坏栅栏板；不能定量地测出物理下落的速度和重力加速度g，实验精确度不高。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
根据上面提出的问题，本方法提供一种自由落体运动实验器，本方法采用了光电门和栅栏板作为采集工具与实验工具，从而可以定量地研究物体自由下落的运动规律，并能精确地测出重力加速度。
2、技术方案：
一种自由落体运动实验器，其特征在于：包括n形状的支架，支架固定在底座上；支架的横梁中间固定连接电磁铁；支架的两个竖直部分的中间位置安装光电门；底座上部设置接收装置用以接收实验对象； 所述实验对象为栅栏板；栅栏板上均匀分布黑白色相间的条纹；所述条纹之间的间隔相等；所述栅栏板的上端固定安装铁片与电磁铁安装座相吸付；当栅栏板下降时落入所述的接收装置。
进一步地，所述的栅栏板由菲林片、两块高透明亚克力板、铁片、圆环组成；菲林片上均匀印刷黑白色相间的条纹；菲林片与铁片置于两块高透明亚克力板之间；圆环安装于栅栏板的下端。
进一步地，所述的栅栏板至少三片；其中栅栏板黑白条纹的黑色条纹之间的间距与另外的栅栏板的间距各不相同。
进一步地，所述栅栏板为三片，其中三片的栅栏板的黑色条纹的间距分别为1.4cm、1.6cm、2.0cm。
进一步地，所述两块亚克力板之间设置凹槽放置铁片；所述两块亚克力板下端相应的地方设置孔安装圆环。
进一步地，所述电磁铁通过套筒安装在横梁上；所述定位套筒固定在横梁上，电磁铁固定在套筒内部；所述套筒下方放置栅栏板的位置设置放置栅栏板的方槽。
进一步地，所述接收装置为方盒；方盒内设置缓冲垫。
进一步地，所述光电门通过内置蓝牙与电脑相连。
一种自由落体运动实验器的控制方法为：步骤一：打开电源开关，光电门通电；打开电磁铁开关，电磁铁通电，安装栅栏板，电磁铁因为通电，吸住栅栏板；
步骤二：在电脑中输入栅栏板的间隔d；栅栏板下降，光电门即采集各个通过光电门的黑色条纹挡光的速度及时刻；如果t=t1时刻第一根黑色条纹开始挡光开始；在t=t2时刻第二根黑色条纹挡光；t=t3时刻第三根黑色条纹挡光；则T1=（t1+t2）/2 时刻的速度：v1=d/（t2-t1）；T2=（t2+t3）/2 时刻的速度：v2=d/（t3-t2）；在这个过程中测量出的加速度为：a=（v2- v1）/（T2- T1）。
步骤三： 输出本次实验的加速度值。
3、有益效果：
（1）本发明主要根据高中物理力学教学内容以及教学要求进行设计实验装置。即物体在只受重力的情况下，忽略阻力的影响，是做匀加速直线运动，加速度即为重力加速度g。本发明可以定量地研究物体自由下落的运动规律，并能精确地测出重力加速度。
（2）本发明的整体实验不需要搭建，内置蓝牙、光电门传感器。
（3）在本实验中自由落体运动的物体释放装置为电磁铁释放，在释放时只需按下开关，栅栏板即可下落，相比手动释放，操作简单；而且手动释放，栅栏板容易有个初速度，并且容易发生倾斜，实验数据较差且数据的一致性也差。
（4）在本发明中栅栏板采用激光菲林片打印技术，封存在两片高透明度亚克力之间，有效保护挡光区域，同时线宽的误差为±4μm，光密度不透光区域＞4.0，比传统丝印技术更精确。
（5）本装置设置了适合栅栏板的收纳装置，能平稳接收栅栏板。
（6）栅栏板的下端设置圆环，可以通过挂钩码的方法来改变物体的质量，从而得出测出重力加速度g与质量无关。
（7）本装置可以精确的测出重力加速度g，误差率在1‰以内。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的右视图；
图3为本发明中栅栏板的结构图；
图4为本发明中的定位套筒图；
图5为本发明的计算原理图；
图6为本发明的计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如附图1至4所示，一种自由落体运动实验器，包括n形状的支架，支架固定在底座上；支架的横梁中间固定连接电磁铁；支架的两个竖直部分的中间位置安装光电门；底座上部设置接收装置用以接收实验对象； 所述实验对象为栅栏板；栅栏板上均匀分布黑白色相间的条纹；所述条纹之间的间隔相等；所述栅栏板的上端固定安装铁片与电磁铁安装座相吸付；当栅栏板下降时落入所述的接收装置。
本方法中栅栏板是本实验装置的自由落体对象，栅栏板上相邻的黑色条纹间隔为d，如图5所示：如果t=t1时刻开始挡光开始；对应图中的第一个上升沿。在t=t2、t=t3时刻，分别对应第二、第三上升沿；
则T1=（t1+t2）/2 时刻 速度：v1=d/（t2-t1）；
T2=（t2+t3）/2 时刻 速度：v2=d/（t3-t2）；
加速度：a=（v2- v1）/（T2- T1）。
所述的栅栏板由菲林片、两块高透明亚克力板、铁片、圆环组成；菲林片上均匀印刷黑白色相间的条纹；菲林片与铁片置于两块高透明亚克力板之间；圆环安装于栅栏板的下端。
所述的栅栏板至少三片；其中栅栏板黑白条纹的黑色条纹之间的间距与另外的栅栏板的间距各不相同。
所述栅栏板为三片，其中三片的栅栏板的黑色条纹的间距分别为1.4cm、1.6cm、2.0cm。
所述两块亚克力板之间设置凹槽放置铁片；所述两块亚克力板下端相应的地方设置孔安装圆环。
所述电磁铁通过套筒安装在横梁上；所述定位套筒固定在横梁上，电磁铁固定在套筒内部；所述套筒下方放置栅栏板的位置设置放置栅栏板的方槽。
所述接收装置为方盒；方盒内设置缓冲垫。
所述光电门通过内置蓝牙与电脑相连。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (9)
1.一种自由落体运动实验器，其特征在于：包括n形状的支架，支架固定在底座上；支架的横梁中间固定连接电磁铁；支架的两个竖直部分的中间位置安装光电门；底座上部设置接收装置，所述接收装置位于实验对象的正下方； 所述实验对象为栅栏板；栅栏板上均匀分布黑白色相间的条纹；所述条纹之间的间隔相等；所述栅栏板的上端固定安装铁片与电磁铁相吸附；当栅栏板下降时落入所述的接收装置。
2.根据权利要求1所述的一种自由落体运动实验器，其特征在于：所述的栅栏板由菲林片、两块高透明亚克力板、铁片、圆环组成；菲林片上均匀印刷黑白色相间的条纹；菲林片与铁片置于两块高透明亚克力板之间；圆环安装于栅栏板的下端。
3.根据权利要求1所述的一种自由落体运动实验器，其特征在于：所述的栅栏板至少三片；其中栅栏板黑白条纹的黑色条纹之间的间距与另外的栅栏板的间距各不相同。
4.根据权利要求1所述的一种自由落体运动实验器，其特征在于：所述栅栏板为三片，其中三片的栅栏板的黑色条纹的间距分别为1.4cm、1.6cm、2.0cm。
5.根据权利要求2所述的一种自由落体运动实验器，其特征在于：所述两块亚克力板之间设置凹槽放置铁片；所述两块亚克力板下端相应的地方设置孔安装圆环。
6.根据权利要求1所述的一种自由落体运动实验器，其特征在于：所述电磁铁通过套筒安装在横梁上；所述定位套筒固定在横梁上，电磁铁固定在套筒内部；所述套筒下方放置栅栏板的位置设置放置栅栏板的方槽。
7.根据权利要求1所述的一种自由落体运动实验器，其特征在于：所述接收装置为方盒；方盒内设置缓冲垫。
8.根据权利要求1所述的一种自由落体运动实验器，其特征在于：所述光电门通过内置蓝牙与电脑相连。
9.根据如权利要求1-8的任一权利要求所述的一种自由落体运动实验器，其控制方法为：
步骤一：打开电源开关，光电门通电；打开电磁铁开关，电磁铁通电，安装栅栏板，电磁铁因为通电，吸住栅栏板；
步骤二：在电脑中输入栅栏板的间隔d；栅栏板下降，光电门即采集各个通过光电门的黑色条纹挡光的速度及时刻；如果t=t1时刻第一根黑色条纹开始挡光开始；在t=t2时刻第二根黑色条纹挡光；t=t3时刻第三根黑色条纹挡光；则T1=（t1+t2）/2 时刻的速度：v1=d/（t2-t1）；T2=（t2+t3）/2 时刻的速度：v2=d/（t3-t2）；
在这个过程中测量出的加速度为：a=（v2- v1）/（T2- T1）；
步骤三： 输出本次实验的加速度值。
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