CN109545044A - 可模拟多种物理模型的试验装置 - Google Patents

Abstract

可模拟多种物理模型的试验装置，用于实现对多种物理模型的试验。在底座的内壁上固定有缓冲垫，在底座的内腔中活动设置有压板，在压板与底座的底部之间设有举升弹簧，在压板底部设有压杆，在压杆的正下方设有与底座固定连接的导向柱，压杆的下部置于导向柱内并与导向柱滑动连接，在导向柱内侧设有按钮，按钮与计时器信号连接；在底座的左侧铰接安装有轨道总成，在底座与轨道总成之间设有第一锁止单元；在轨道总成上设有刻度线，在轨道总成的顶部设有吊架，在吊架上设有夹持重球的夹持单元。本装置可以用于实现对自由落体运动的试验，还可以实现匀速直线运动和斜面运动的研究。

Description

可模拟多种物理模型的试验装置

技术领域

本发明涉及物理学习技术领域，具体地说是一种可模拟多种物理模型的试验装置。

背景技术

无论是在初中还是在高中的课程学习中，物理学科是一门十分注重实践的学科。在物理的学习过程中，必须要借住于物理模型的演练才能使学生完全掌握各物理知识。现有技术中，虽然多媒体教学设备的应用在一定程度上促进了学生对知识点的理解，但是缺乏动手实验的学习效果终究是无法得到保障的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可模拟多种物理模型的试验装置，用于实现对多种物理模型的试验。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：可模拟多种物理模型的试验装置，其特征是，它包括底座、轨道总成、吊架、夹持单元、计时器、红外线接收器、红外线发射器和按钮，所述底座为顶部敞口的中空结构，在底座的内壁上固定有缓冲垫，在底座的内腔中活动设置有压板，在压板与底座的底部之间设有举升弹簧，在压板底部设有压杆，在压杆的正下方设有与底座固定连接的导向柱，压杆的下部置于导向柱内并与导向柱滑动连接，在导向柱内侧设有按钮，按钮与计时器信号连接；

在底座的左侧铰接安装有轨道总成，在底座与轨道总成之间设有第一锁止单元，在第一锁止单元的作用下轨道总成处于竖直状态；

在轨道总成上设有刻度线，在轨道总成的顶部设有吊架，在吊架上设有夹持重球的夹持单元，在吊架上设有位于同一直线上的红外线发射器和红外线接收器，红外线接收器与计时器信号连接。

进一步地，在底座的左侧设有安装槽，轨道总成的下端铰接安装在安装槽内；在轨道总成的下部设有第一锁止孔，第一锁止单元包括滑动设置在底座左侧的弹簧腔内的第一滑板、固定在第一滑板上的第一锁止销、设置在第一滑板与弹簧腔内壁之间的第一锁止弹簧，在第一锁止弹簧的作用下第一锁止销的作用端伸入到第一锁止孔中；在底座的顶部设有长条孔，在第一锁止销上固定有推杆，推杆的上部穿过长条孔后伸出底座。

进一步地，所述轨道总成包括第一导轨、固定在第一导轨顶部的定位块、与定位块插接连接的第二导轨，在定位块与第二导轨之间设有第二锁止单元。

进一步地，第二锁止单元包括固定在定位块外壁上的锁止器、滑动设置在锁止器内的第二滑板、固定在第二滑板上的第二锁止销、设置在第二滑板与锁止器内壁之间的第二锁止弹簧、固定在第二锁止销上的拉环，在第二锁止弹簧的作用下第二锁止销的作用端伸入到第二导轨下部的第二锁止孔中。

进一步地，所述夹持单元包括固定在吊架上的一对支耳、与支耳铰接的夹持杆、设置在支耳与夹持杆之间的扭簧、转动安装在吊架顶部的转轮、与转轮铰接的驱动杆、与夹持杆上端铰接的连杆，连杆与对应的驱动杆之间铰接连接，在转轮的顶部固定有手柄，两夹持杆的下端配合作用夹持重球。

进一步地，在第二导轨的内侧设有滑槽，在滑槽内活动设置有延伸杆，吊架与延伸杆顶部固定连接，在第二导轨与延伸杆之间设有锁止螺栓。

进一步地，在吊架的顶部设有凹槽，在凹槽内转动安装有支撑杆，支撑杆与吊架之间设有阻尼件。

本发明的有益效果是：本发明提供的可模拟多种物理模型的试验装置，可以用于实现对自由落体运动的试验，还可以实现匀速直线运动和斜面运动的研究。一个试验装置，用于实现多个物理模型的研究，充分利用了资源。

附图说明

图1为本发明的正面示意图；

图2为底座的俯视图；

图3为图2中的A-A剖视图；

图4为轨道总成的示意图；

图5为第一导轨的示意图；

图6为第二锁止单元的装配示意图；

图7为第二锁止单元的结构示意图；

图8为第二导轨与吊架的装配示意图；

图9为延伸杆从第二导轨内移出的示意图；

图10为第一导轨的横截面示意图；

图11为第二导轨的横截面示意图；

图12为夹持单元的示意图；

图13为重球的夹持示意图；

图14为重球的下落示意图；

图15为增大下落高度后的示意图；

图16为计时原理示意图；

图17为使用本发明研究匀速直线运动模型时的示意图；

图18为使用本发明研究斜面运动模型的示意图；

图19为第一锁止单元的示意图；

图20为长槽、滑槽和第二滑道的位置示意图；

图中：1底座，11缓冲垫，12回收腔，13安装槽，14压板，141垫块，142压杆，15导向柱，16弹簧腔，17举升弹簧，18铰接孔，19长条孔；

2第一锁止销，21推杆，22第一滑板，23第一锁止弹簧；

3第一导轨，31铰接轴，32第一锁止孔，33刻度线，34定位块，341连通孔，35锁止器，351第二锁止销，352第二滑板，353第二锁止弹簧，354拉环，36第一滑道；

4第二导轨，41第二锁止孔，42第二滑道，43滑槽，44锁止螺栓，45红外线接收器，46延伸杆，47长槽；

5吊架，51安装杆，52红外线发射器，53支耳，54夹持杆，541第一凸起，55连杆，56驱动杆，561第二凸起，57转轮，571手柄，58支撑杆；

6重球，7按钮。

具体实施方式

如图1至图20所示，本发明主要包括底座1、轨道总成、吊架5、夹持单元、红外线发射器52、红外线接收器45、计时器、按钮7，下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图1至图3所示。底座1为顶部敞口的长方体形中空结构，在底座的内腔壁上粘贴固定有缓冲垫11，缓冲垫为长方形的橡胶垫或硅胶垫，缓冲垫的两端不接触，缓冲垫围成了回收腔12。在底座的左侧设有安装槽13，安装槽贯穿底座的左侧面以及回收腔12。在回收腔内设有压板14，在压板的上表面粘接固定有垫块141，垫块为海绵件。或者，垫块由若干等长等宽的软硬程度不同的长条拼接而成，该长条自身具有弹性，可以为橡胶。重球落在垫块上后，由于沿长度方向垫块各处的软硬程度不同，使得与重球接触的长条变形量不同，进而重球弹起后会沿倾斜方向向上移动，进而使得重球与缓冲垫接触，以促使重球尽快降低速度并稳定在底座内。

在压板的底部固定有压杆142，在底座的内腔中固定有导向柱15，压杆的下部置于导向柱内并能相对导向柱上下移动。在压板与底座底部之间设有若干举升弹簧17，在举升弹簧的作用下，压板与底座底部之间具有一定的间距。在导向柱的内腔中设有按钮7，按钮与计时器信号连接，当重球落在垫块上后，压动压板下移，压板底部的压杆靠近按钮直至压动按钮，按钮向计时器发送信号，使得计时停止。自然状态下，举升弹簧将压板举起，此时压板所在的水平高度为0。

在安装槽的侧壁上设有铰接孔18，在底座顶部的左侧设有一对长条孔19，两长条孔分别位于安装槽的前侧和后侧。在长条孔的下方设有第一锁止单元，如图19所示，在安装槽前侧和后侧的底座内的弹簧腔16，在弹簧腔内滑动设置有第一滑板22，在第一滑板上固定有第一锁止销2，在第一滑板与弹簧腔的内壁之间设有第一锁止弹簧23，在第一锁止弹簧的作用下第一锁止销的作用端伸入到安装槽内。在第一锁止销上固定有推杆21，推杆的上部穿过长条孔后伸出底座。第一锁止销、第一滑板、第一锁止弹簧和推杆构成了第一锁止单元。第一锁止销置于第一锁止孔中时，可以实现第一导轨与底座之间的相对固定。

在底座上活动设置有轨道总成，如图4所示，轨道总成包括第一导轨3和第二导轨4，如图5、图6、图7和图10所示，第一导轨为直杆，在第一导轨的下部设有铰接轴31，铰接轴转动安装在铰接孔18内。第一导轨通过铰接轴与底座转动连接，在第一导轨的下部还设有第一锁止孔32，在第一导轨的外壁上设有刻度线33，在第一导轨的顶部固定有定位块34，定位块的作用是实现第一导轨与第二导轨的固定连接。定位块为长方体形结构，定位块的顶部、右侧敞口，在定位块的底部设有连通孔341。在定位块的外壁上固定有第二锁止单元，如图6、图7所示，第二锁止单元包括与定位块外壁固定连接的锁止器35、滑动设置在锁止器内的第二滑板352、固定在第二滑板上的第二锁止销351、设置在第二滑板与锁止器内壁之间的第二锁止弹簧353、固定在第二锁止销上的拉环354，在第二锁止弹簧的作用下第二锁止销的作用端置于定位块的内侧。如图10所示，在第一导轨内侧设有第一滑道36，且第一滑道贯穿第一导轨的右侧壁。第一导轨上的刻度以压板所在的高度为基准。

如图8、图9和图11所示，第二导轨4也为直杆，在第二导轨上也设有刻度线33，第二导轨上的刻度线以第一导轨上位于最上方的刻度为基准。在第二导轨的下部设有第二锁止孔41，第二锁止销穿在第二锁止孔中时，可以实现第一导轨与第二导轨的相对固定。安装时，将第二导轨的下部伸入定位块中，并使得第二锁止销穿在第二锁止孔中即可。如图11所示，第二导轨的内侧设有第二滑道42，第二滑道贯穿第二导轨的右侧面，将第二导轨安装在定位块上后，连通孔将第一、第二滑道连接在一起。在第二导轨上设有一对滑槽43，在滑槽内滑动安装有延伸杆46；为实现延伸杆与第二导轨之间的锁止，在第二导轨的外壁上设有锁止螺栓44，锁止螺栓与延伸杆接触后可以实现这一目的。

在两延伸杆之间设有红外线接收器45，如图20所示，在第二导轨的顶部设有容纳红外线接收器的长槽47，长槽将两滑槽的顶部连通在一起。在延伸杆的顶部固定有吊架5，在刀架上固定有安装杆51，在安装杆上固定有红外线发射器52，红外线发射器与红外线接收器始终处于同一直线上。红外线发射器不断发射红外线，红外线接收器可以实时接收到红外线发射器发射出的红外线。

如图12所示，在吊架的左右两侧分别设有支耳53，在支耳上铰接安装有夹持杆54，夹持杆上部为直线形，下部为圆弧形，在夹持杆的上部设有第一凸起541，在吊架的顶部转动安装有转轮57，在转轮的上端和下端分别铰接安装有驱动杆56，在驱动杆上设有第二凸起561，在第一凸起与第二凸起之间设有连杆55，在转轮的顶部设有手柄571。转动手柄时，可以驱使转轮转动，转轮转动时可以驱使连杆的运动，进而使得两夹持杆的上部相互靠近；此时夹持杆的下部相互远离。在夹持杆与支耳之间设有扭簧，在扭簧的作用下两连杆位于同一竖直面内且此时两夹持杆上端之间的距离最大。转动手柄时，两夹持杆的上部相互靠近，如图13所示，两夹持杆的下端之间夹持重球6，在重球的侧壁上设有与夹持杆下端配合的夹持孔，两夹持杆下端的距离增大时，夹持杆下端便逐渐从夹持孔中移出，如图14所示，此时重球在自重下下落。夹持杆、连杆、驱动杆、扭簧、转轮和手柄构成了夹持单元。

如图15所示，当需要使得重球从更高处落下时，可以提拉吊架使得延伸杆从第二导轨内移出一段，然后通过锁止螺栓将延伸杆锁紧即可。

如图16所示，转动手柄使得两夹持杆下端远离时，夹持单元对重球的夹持作用逐渐消失，直至重球与夹持单元脱离，此时重球开始下落。在设置红外线发射器与红外线接收器的位置时，应使得红外线发射器发射出的红外线位于重球最高点下方一段距离，该距离为0.5-2mm。这样重球未落下时，红外线接收器接收不到红外线发射器发射的红外线；而当重球下落很小的一段距离时，重球对红外线的阻挡作用消失，红外线接收器可以接收到红外线发射器发出的红外线。红外线接收器接收不到红外线时，便向计时器发送信号，使得计时器开始计时，此时重球的初始速度为0。随着重球的不断下落，重球逐渐靠近压板；当重球与压板接触并压动压板下移使得压杆触动按钮后，按钮向计时器发送信号，使得计时器计时停止，此时计时器上记录的时间t为重球下落高度H经历的时间。这样，将第一导轨竖起，并将第二导轨安装在第一导轨上，通过夹持单元夹持住重球，然后使得重球自然下落，可以模拟物理中的自由落体模型。且当需要重球从不同高度位置处下落时，仅需调节延伸杆与第二导轨之间的相对位置。在延伸杆上也设有刻度线，延伸杆上的刻度线以第二导轨的上表面为基准。这样试验多次重球从不同高度H处下落，记录下每次下落的时间t，便可以计算重球下落高度H时的瞬时速度V，进而研究自由落体物理模型速度与时间的关系。

在吊架的顶部铰接安装有支撑杆58，支撑杆隐藏于吊架顶部的凹槽内。使用时，可以将支撑杆从凹槽内移出。在支撑杆与吊架之间设有阻尼件，以实现两者的相对固定。

除此之外，本发明还可以研究匀速直线运动模型。如图17所示，将支撑杆从吊架内移出并使得吊架与支撑杆垂直，支撑杆与地面接触后，第一、第二导轨处于水平面内，此时第一、第二导轨构成直线轨道，此时进行匀速直线运动模型研究。为此，第一、第二滑道应足够光滑。将重球置于第一滑道内，然后给重球一定的初始速度V₀，使得重球向吊架移动。当重球置于红外线接收器、红外线发射器之间时，计时器计时停止，此时通过刻度线观察重球移动的距离L，计时器记录的时间为匀速运动距离L时的时间t，通过比较V₀以及L/t的关系，可以研究匀速直线运动位移与时间的关系。

如图18所示，当将吊架直接与地面接触时，第一、第二导轨均倾斜设置，此时第一、第二滑道构成斜面，此时可以研究斜面运动模型。

关于自由落体模型、直线运动模型以及斜面运动模型的位移、速度之间的关系，以及受力分析，为公知常识，在此不在赘述。本发明的重点在于上述试验装置的结构，以便于进行三种物理模型之间的转换，以进行不同的模型试验。将第二导轨从定位块上卸下后，便于整个试验装置的存放。

Claims (7)

1.可模拟多种物理模型的试验装置，其特征是，它包括底座、轨道总成、吊架、夹持单元、计时器、红外线接收器、红外线发射器和按钮，所述底座为顶部敞口的中空结构，在底座的内壁上固定有缓冲垫，在底座的内腔中活动设置有压板，在压板与底座的底部之间设有举升弹簧，在压板底部设有压杆，在压杆的正下方设有与底座固定连接的导向柱，压杆的下部置于导向柱内并与导向柱滑动连接，在导向柱内侧设有按钮，按钮与计时器信号连接；

在底座的左侧铰接安装有轨道总成，在底座与轨道总成之间设有第一锁止单元，在第一锁止单元的作用下轨道总成处于竖直状态；

在轨道总成上设有刻度线，在轨道总成的顶部设有吊架，在吊架上设有夹持重球的夹持单元，在吊架上设有位于同一直线上的红外线发射器和红外线接收器，红外线接收器与计时器信号连接。

2.根据权利要求1所述的可模拟多种物理模型的试验装置，其特征是，在底座的左侧设有安装槽，轨道总成的下端铰接安装在安装槽内；在轨道总成的下部设有第一锁止孔，第一锁止单元包括滑动设置在底座左侧的弹簧腔内的第一滑板、固定在第一滑板上的第一锁止销、设置在第一滑板与弹簧腔内壁之间的第一锁止弹簧，在第一锁止弹簧的作用下第一锁止销的作用端伸入到第一锁止孔中；在底座的顶部设有长条孔，在第一锁止销上固定有推杆，推杆的上部穿过长条孔后伸出底座。

3.根据权利要求1所述的可模拟多种物理模型的试验装置，其特征是，所述轨道总成包括第一导轨、固定在第一导轨顶部的定位块、与定位块插接连接的第二导轨，在定位块与第二导轨之间设有第二锁止单元。

4.根据权利要求3所述的可模拟多种物理模型的试验装置，其特征是，第二锁止单元包括固定在定位块外壁上的锁止器、滑动设置在锁止器内的第二滑板、固定在第二滑板上的第二锁止销、设置在第二滑板与锁止器内壁之间的第二锁止弹簧、固定在第二锁止销上的拉环，在第二锁止弹簧的作用下第二锁止销的作用端伸入到第二导轨下部的第二锁止孔中。

5.根据权利要求1所述的可模拟多种物理模型的试验装置，其特征是，所述夹持单元包括固定在吊架上的一对支耳、与支耳铰接的夹持杆、设置在支耳与夹持杆之间的扭簧、转动安装在吊架顶部的转轮、与转轮铰接的驱动杆、与夹持杆上端铰接的连杆，连杆与对应的驱动杆之间铰接连接，在转轮的顶部固定有手柄，两夹持杆的下端配合作用夹持重球。

6.根据权利要求1所述的可模拟多种物理模型的试验装置，其特征是，在第二导轨的内侧设有滑槽，在滑槽内活动设置有延伸杆，吊架与延伸杆顶部固定连接，在第二导轨与延伸杆之间设有锁止螺栓。

7.根据权利要求1所述的可模拟多种物理模型的试验装置，其特征是，在吊架的顶部设有凹槽，在凹槽内转动安装有支撑杆，支撑杆与吊架之间设有阻尼件。