CN109637297B - 一种高中物理力学原理展示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高中物理力学原理展示装置，主要涉及教学领域，应用于高中物理运动力学的展示，解决了现有技术中展示装置误差较大的问题，其技术要点是：包括底座、磁铁架、导轨、红外发射机构、滑块、红外接收机构、击发机构和缓冲机构，所述磁铁架和导轨通过螺钉固定在底座上，滑块设在导轨上，红外发射机构和红外接收机构分别设在导轨的两侧，红外发射机构和红外接收机构通过螺钉固定在底座上，击发机构和缓冲机构分别设在导轨的两端，击发机构和缓冲机构通过螺钉固定在底座上；本发明通过两个红外装置检测滑块通过时间，从而计算滑块通过速度，相对于传统秒表读数更加精确。

Description

一种高中物理力学原理展示装置

技术领域

本发明涉及教学领域，具体是一种高中物理力学原理展示装置。

背景技术

力学，研究物质机械运动规律的科学，通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主，机械运动亦即力学运动，是物质在时间、空间中的位置变化，包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等，而平衡或静止则是其中的一种特殊情况，机械运动是物质运动最基本的形式。

力学作为物理学的基础，在高中就会接触，运动家力学一直是高中物理难点，主要因为运动力学在教授时无法直观的向学生展示物体的运动过程，使得学生接受较为困难，物理实验室有一种运动力学展示装置，其采用气轨的方式减少运动物体与轨道间的摩擦，营造一个阻力较小的环境展示物体的运动问题，但是由于其采用气轨的方式，使得该装置必须连接气泵，这就造成了该装置携带不易，只能在实验室进行实验，无法在教室课堂上直观展示，而且该装置采用人工读数的方式读取滑块通过一段距离的时间来计算滑块速度，读取数值存在较大误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高中物理力学原理展示装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高中物理力学原理展示装置，包括底座、磁铁架、导轨、红外发射机构、滑块、红外接收机构、击发机构和缓冲机构，所述磁铁架和导轨通过螺钉固定在底座上，滑块设在导轨上，红外发射机构和红外接收机构分别设在导轨的两侧，红外发射机构和红外接收机构通过螺钉固定在底座上，击发机构和缓冲机构分别设在导轨的两端，击发机构和缓冲机构通过螺钉固定在底座上，红外发射机构和红外接收机构的配合检测滑块通过的时间从而计算滑块速度，导轨和滑块之间形成磁悬浮机构，减小了滑块和导轨之间的摩擦力。

作为本发明进一步的方案：所述底座内设有数据采集卡、单片机、显示屏和供电模块，数据采集卡与单片机和红外接收机构电性连接，显示屏和单片机电性连接，红外发射机构、红外接收机构、单片机、数据采集卡和显示屏分别与供电模块电性连接。

作为本发明再进一步的方案：所述磁铁架为U型结构，磁铁架的上侧面设有限位永磁体，限位永磁体通过粘胶固定在磁铁架上。

作为本发明再进一步的方案：所述导轨为工字型导轨，导轨的两侧均设有第一水平永磁体，第一水平永磁体为条形永磁体，且第一水平永磁体和导轨之间设有电工软铁。

作为本发明再进一步的方案：所述红外发射机构和红外接收机构相对设置构成速度检测机构，速度检测机构设有四个，速度检测机构以导轨的中心为对称面对称设置在导轨的两端，速度检测机构从击发机构至缓冲机构依次为第一速度检测机构、第二速度检测机构、第三速度检测机构和第四速度检测机构。

作为本发明再进一步的方案：所述滑块为方形，滑块下端设有导轨槽，导轨槽两侧均设有第二水平永磁体，第二水平永磁体和滑块之间设有电工软铁，滑块还包括滑块外壳、第一电磁铁、第二电磁铁、第一电磁铁开关和第二电磁铁开关，第一电磁铁固定连接在滑块外壳的上侧面，第一电磁铁和滑块外壳之间设有电工软铁；第二电磁铁固定连接在滑块外壳的下端面且在导轨槽的上方，第二电磁铁和滑块外壳之间设有电工软铁；第一电磁铁开关和第二电磁铁开关分别固定在滑块外壳的两侧，锂电池固定连接在滑块外壳的内部，锂电池与第一电磁铁和第二电磁铁之间均电性连接，第一电磁铁开关设在锂电池和第一电磁铁之间的导线上，第二电磁铁开关设在锂电池和第二电磁铁之间的导线上。

作为本发明进一步的方案：所述击发机构包括击发座、击发电磁铁、激发头和压缩弹簧，击发座通过螺钉固定在底座上，击发座上端设有击发槽，击发槽两端设有导向槽，击发电磁铁固定连接在击发槽底面上，激发头与供电模块电性连接，且激发头与供电模块之间设有击发开关，激发头两侧设有导向支耳，导向支耳设在导向槽内部，激发头通过导向支耳设在击发槽内，压缩弹簧固定连接激发头和击发电磁铁。

作为本发明再进一步的方案：所述缓冲机构为方形金属块，缓冲机构上设有弹簧，用于防止滑块滑出导轨。

一种包括上述高中物理力学原理展示装置的高中物理教学教具。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过磁悬浮取代气悬浮的方式减小滑块与导轨之间的摩擦力，从而取消了气泵，减小了展示装置的体积，使得展示装置便于携带。

2、本发明通过两个红外装置检测滑块通过时间，从而计算滑块通过速度，相对于传统秒表读数更加精确。

附图说明

图1为高中物理力学原理展示装置的结构示意图。

图2为高中物理力学原理展示装置导轨和滑块配合的结构示意图。

图3为高中物理力学原理展示装置击发机构的结构示意图。

图4为高中物理力学原理展示装置击发机构的左视图。

图中，1-底座，2-磁铁架，21-限位永磁体，3-导轨，31-第一水平永磁体，31-竖直永磁体，4-红外发射机构，5-滑块，51-滑块外壳，52-第一电磁铁，53-第二电磁铁，54-第一电磁铁开关，55-第二电磁铁开关，56-第二水平永磁体，57-锂电池，6-红外接收机构，7-击发机构，71-击发座，72-击发电磁铁，73-激发头，74-压缩弹簧，8-缓冲机构，9-电工软铁。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1

请参阅图1-4，一种高中物理力学原理展示装置，包括底座1、磁铁架2、导轨3、红外发射机构4、滑块5、红外接收机构6、击发机构7和缓冲机构8，所述磁铁架2和导轨3通过螺钉固定在底座1上，滑块5设在导轨3上，红外发射机构4和红外接收机构6分别设在导轨3的两侧，红外发射机构4和红外接收机构6通过螺钉固定在底座1上，击发机构7和缓冲机构8分别设在导轨3的两端，击发机构7和缓冲机构8通过螺钉固定在底座1上；

所述底座1内设有数据采集卡、单片机、显示屏和供电模块，数据采集卡与单片机和红外接收机构6电性连接，用于采集红外接收机构6收到的红外信号并将红外信号转换脉冲信号传输给单片机，所述显示屏和单片机电性连接，用于显示单片机计算的滑块速度值，红外发射机构4、红外接收机构6、单片机、数据采集卡和显示屏分别与供电模块电性连接，供电模块用于为上述各组件供电；

所述磁铁架2为U型结构，磁铁架2的上侧面设有限位永磁体21，限位永磁体21通过粘胶固定在磁铁架2上；

所述导轨3为工字型导轨，导轨3的两侧均设有第一水平永磁体31，第一水平永磁体31为条形永磁体，且第一水平永磁体31和导轨3之间设有电工软铁9，电工软铁9用于吸收磁感性形成屏蔽层；

所述红外发射机构4和红外接收机构6相对设置构成速度检测机构，速度检测机构设有四个，速度检测机构以导轨3的中心为对称面对称设置在导轨3的两端，速度检测机构从击发机构7至缓冲机构8依次为第一速度检测机构、第二速度检测机构、第三速度检测机构和第四速度检测机构，用于配合检测滑块5的速度值；

所述滑块5为方形，滑块5下端设有导轨槽，导轨槽两侧均设有第二水平永磁体56，第二水平永磁体56和滑块5之间设有电工软铁9，滑块5还包括滑块外壳51、第一电磁铁52、第二电磁铁53、第一电磁铁开关54和第二电磁铁开关55，第一电磁铁52固定连接在滑块外壳51的上侧面，第一电磁铁52和滑块外壳51之间设有电工软铁9；第二电磁铁53固定连接在滑块外壳51的下端面且在导轨槽的上方，第二电磁铁53和滑块外壳51之间设有电工软铁9；第一电磁铁开关54和第二电磁铁开关55分别固定在滑块外壳51的两侧，锂电池57固定连接在滑块外壳51的内部，锂电池57与第一电磁铁52和第二电磁铁53之间均电性连接，用于为第一电磁铁52和第二电磁铁53供电，第一电磁铁开关54设在锂电池57和第一电磁铁52之间的导线上，用于控制第一电磁铁52的启停，第二电磁铁开关55设在锂电池57和第二电磁铁53之间的导线上，用于控制第二电磁铁53的启停；

所述击发机构7包括击发座71、击发电磁铁72、激发头73和压缩弹簧74，用于激发滑块5，给滑块5以驱动力，击发座71通过螺钉固定在底座1上，击发座71上端设有击发槽，击发槽两端设有导向槽，击发电磁铁72固定连接在击发槽底面上，激发头73与供电模块电性连接，且激发头73与供电模块之间设有击发开关，激发头73两侧设有导向支耳，导向支耳设在导向槽内部，激发头73通过导向支耳设在击发槽内，压缩弹簧74固定连接激发头73和击发电磁铁72；

缓冲机构8为方形金属块，缓冲机构8上设有弹簧，用于防止滑块5滑出导轨3。

实施例2

一种高中物理教学教具，包括实施例1所述的高中物理力学原理展示装置。

综上所述，本发明的工作原理是：

电磁铁和永磁体的配合使滑块5悬浮在导轨3上，从而减小滑块5与导轨3之间的摩擦力，从而使得滑块5的碰撞试验具有一个较为理想的运动环境；

当进行水平动量的展示时，拆掉磁铁架2，导轨3上设置两个滑块5，其中一个设在导轨3中间为第二滑块，另一个设在击发机构7的一端为第一滑块，打开击发开关及第二电磁铁开关55，滑块5悬浮在导轨3上，击发电磁铁72吸附激发头73后，关掉击发开关，激发头73弹出并碰撞第一滑块，第一滑块通过第一速度检测机构和第二速度检测机构后碰撞处于中心位置的第二滑块，然后第二滑块通过第三速度检测机构和第四速度检测机构后碰到缓冲机构8处停下，单片机通过计算滑块5通过第一速度检测机构和第二速度检测机构及第三速度检测机构和第四速度检测机构的时间计算滑块5的速度，然后将其显示到显示屏上，老师通过两者的速度值演算动能转换公式，从能将动能的转换直观的表现在学生面前；

当进行重力势能的计算时，将该装置竖直放置，并将磁铁架2装上，打开第一电磁铁开关54及第二电磁铁开关55，调节第一电磁铁52和第二电磁铁53中电流的大小，使滑块5悬浮在导轨3和限位永磁体21之间，然后打开击发开关，然后在关闭击发开关，滑块5被弹出，滑块5通过第一速度检测机构、第二速度检测机构、第三速度检测机构和第四速度检测机构，单片机通过计算滑块5通过第一速度检测机构和第二速度检测机构及第三速度检测机构和第四速度检测机构的时间计算滑块5的速度，然后将其显示到显示屏上，老师通过两者的速度值演算动能和势能转换公式，从能将动能和势能之间的转换直观的表现在学生面前；

由于本发明摒弃了气源，使得本发明可以携带至教室演示，在上课的同时演示力学原理，提高了教学质量。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种高中物理力学原理展示装置，包括底座（1）、导轨（3）和滑块（5），导轨（3）通过螺钉固定在底座（1），滑块（5）设在导轨（3）上，其特征在于，还包括磁铁架（2）、红外发射机构（4）、红外接收机构（6）、击发机构（7）和缓冲机构（8），所述磁铁架（2）通过螺钉固定在底座（1）上，红外发射机构（4）和红外接收机构（6）分别设在导轨（3）的两侧，红外发射机构（4）和红外接收机构（6）通过螺钉固定在底座（1）上，击发机构（7）和缓冲机构（8）分别设在导轨（3）的两端，击发机构（7）和缓冲机构（8）通过螺钉固定在底座（1）上；

所述磁铁架（2）为U型结构，磁铁架（2）的上侧面设有限位永磁体（21），限位永磁体（21）通过粘胶固定在磁铁架（2）上；所述导轨（3）为工字型导轨，导轨（3）的两侧均设有第一水平永磁体（31），第一水平永磁体（31）为条形永磁体，且第一水平永磁体（31）和导轨（3）之间设有电工软铁（9）；所述滑块（5）为方形，滑块（5）下端设有导轨槽，导轨槽两侧均设有第二水平永磁体（56），第二水平永磁体（56）和滑块（5）之间设有电工软铁（9），滑块（5）还包括滑块外壳（51）、第一电磁铁（52）、第二电磁铁（53）、第一电磁铁开关（54）和第二电磁铁开关（55），第一电磁铁（52）固定连接在滑块外壳（51）的上侧面，第一电磁铁（52）和滑块外壳（51）之间设有电工软铁（9）；第二电磁铁（53）固定连接在滑块外壳（51）的下端面且在导轨槽的上方，第二电磁铁（53）和滑块外壳（51）之间设有电工软铁（9）；第一电磁铁开关（54）和第二电磁铁开关（55）分别固定在滑块外壳（51）的两侧，锂电池（57）固定连接在滑块外壳（51）的内部，锂电池（57）与第一电磁铁（52）和第二电磁铁（53）之间均电性连接，第一电磁铁开关（54）设在锂电池（57）和第一电磁铁（52）之间的导线上，第二电磁铁开关（55）设在锂电池（57）和第二电磁铁（53）之间的导线上。

2.根据权利要求1所述的高中物理力学原理展示装置，其特征在于，所述底座（1）内设有数据采集卡、单片机、显示屏和供电模块，数据采集卡与单片机和红外接收机构（6）电性连接，显示屏和单片机电性连接，红外发射机构（4）、红外接收机构（6）、单片机、数据采集卡和显示屏分别与供电模块电性连接。

3.根据权利要求2所述的高中物理力学原理展示装置，其特征在于，所述红外发射机构（4）和红外接收机构（6）相对设置构成速度检测机构，速度检测机构设有四个，速度检测机构以导轨（3）的中心为对称面对称设置在导轨（3）的两端，速度检测机构从击发机构（7）至缓冲机构（8）依次为第一速度检测机构、第二速度检测机构、第三速度检测机构和第四速度检测机构。

4.根据权利要求1-3任一所述的高中物理力学原理展示装置，其特征在于，所述击发机构（7）包括击发座（71）、击发电磁铁（72）、激发头（73）和压缩弹簧（74），击发座（71）通过螺钉固定在底座（1）上，击发座（71）上端设有击发槽，击发槽两端设有导向槽，击发电磁铁（72）固定连接在击发槽底面上，激发头（73）与供电模块电性连接，且激发头（73）与供电模块之间设有击发开关，激发头（73）两侧设有导向支耳，导向支耳设在导向槽内部，激发头（73）通过导向支耳设在击发槽内，压缩弹簧（74）固定连接激发头（73）和击发电磁铁（72）。

5.根据权利要求4所述的高中物理力学原理展示装置，其特征在于，缓冲机构（8）为方形金属块，缓冲机构（8）上设有弹簧。

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