CN109637303A - 一种摩擦力学习演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种摩擦力学习演示装置，包括：底座、实验台、摩擦块、拉力传感器、传送装置、盘线轮、控制装置、显示屏、图像采集装置。使用本装置可同时测定最大静摩擦力、滑动摩擦力与滚动摩擦力及其影响因素，还可考察摩擦块在斜坡上运动时的摩擦力；各种摩擦力以及摩擦系数可在显示屏上直接显示，读数方便，测得的数据准确可靠。

Description

一种摩擦力学习演示装置

技术领域

本发明涉及教学设备领域，尤其涉及一种摩擦力学习演示装置。

背景技术

摩擦力分为静摩擦力、滚动摩擦力、滑动摩擦力3种。摩擦力特别是滑动摩擦力的测量一直是物理实验设计的难点，物理实验中测量摩擦力的传统方法有手动牵引法、重物牵引法、电动牵引法等。测量摩擦力最简单的是手动牵引法，其原理是用手去拉弹簧秤，让物体保持匀速运动，从弹簧秤中读出摩擦力的值。因人手很难提供恒定的速度，故提供的牵引力难以做到与摩擦力相等，且很难准确读出测量值，因此手动牵引方法测量具有人为操作引起的误差大、测量数据不准确、读数不方便等缺点。重物牵引法的原理是利用重物提供稳定的牵引力，测量出物体的位移和时间，通过牛顿第二定律可求得物体的滑动摩擦力，与手动牵引法相比，精度有所提高，其缺点是测量过程需要记录多个数值、操作过程及处理数据复杂。电动牵引法的原理是通过调节电动机使其匀速转动来测量摩擦力，例如专利号为2008100204889的中国专利，公开了一种“平面、斜坡动、静摩擦力演示仪”，能演示在平面和斜坡中动、静摩擦力的大小和方向，最大静摩擦力和滑动摩擦力，结构简单，操作演示方便；其缺点是调节电动机转速匀速较难、读数不方便及误差较大，不能演示出摩擦力的方向和相对运动趋势方向，不能直观准确的演示静摩擦力、最大静摩擦力到滑动摩擦力的变化过程，也不能对滚动摩擦力进行演示，并且实验数据需要经过后期人工计算才能得出实验结果，工作量较大、演示效果较差。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供一种摩擦力学习演示装置，能直观、准确的演示出静摩擦力、最大静摩擦力到滑动摩擦力的变化过程，还能对滚动摩擦力进行演示。

本发明的摩擦力学习演示装置，包括：底座、实验台、摩擦块、拉力传感器、传送装置、盘线轮、控制装置、显示屏、图像采集装置；

所述传送装置包括传送带、驱动滚筒、从动滚筒，所述传送带由驱动滚筒驱动，由从动滚筒带动运动，所述驱动滚筒包括第一电机、传动轴、联轴器和减速器；所述传送带侧边设有标记块，靠近所述标记块一侧设有刻度，传送带移动的距离可以通过标记块或刻度示出；

所述实验台上设有支撑固定所述传送装置的第一支撑架；所述实验台上还设有托举上方传送带的上托平板，通过第二支撑架置于所述实验台上，所述上托平板表面下设有压力称，所述摩擦块起始置于所述压力称上；

所述底座上设有立柱，所述立柱顶端焊接有铰接块，所述底座与实验台通过所述铰接块铰接，所述底座与实验台之间设有用于调节实验台坡度的升降调节装置；

所述摩擦块与细绳连接面相邻的四个表面面积相同，其中三个表面具有不同的粗糙度，另一个表面的四个角设有滚轮，与细绳连接面相对的表面的面积比前述四个表面的面积小；

所述拉力传感器一端通过细绳与摩擦块连接、另一端通过细绳与盘线轮连接；连接所述摩擦块、拉力传感器、盘线轮的细绳与所述实验台平行；

所述底座设有滑轨，所述图像采集装置可在所述滑轨上移动，所述图像采集装置包括摄像头与支撑杆，所述摄像头固定在所述支撑杆上，所述支撑杆上设有驱动所述图像采集装置移动的第二电机；

所述控制装置与显示屏设于所述底座上，所述控制装置包括集成电路板、插接于集成电路板上的单片机、无线信息发送器、无线信息接收器和USB接口；所述压力称、拉力传感器、第一电机、第二电机、第三电机、图像采集装置与所述控制装置连接，所述控制装置将所述压力称、拉力传感器、摄像头所采集图像的信息通过无线信息发送器发出，然后通过无线信息接收器接收信号在所述显示屏上显示；所述显示屏显示摩擦块的重量、摩擦力、摩擦系数数据以及摄像头所采集到的图像。

控制装置将处理好的摩擦力的值通过无线信息发送器发出，通过无线信息接收器接收信号，然后通过显示屏显示出来，显示屏显示的数据就是所测量物体的摩擦力值。

通过所述控制装置的USB接口连接计算机，或再连接投影设备，将所述图像采集装置采集的信息以及摩擦实验数据投影展示，同学们可以很方便地观察实验，加深对摩擦力知识点的理解。

进一步地，本发明的装置还包括与所述控制装置连接的超声波传感器，用于获取所述标记块位置，位于所述底座上，所述超声波传感器、标记块形成的直线与摩擦块、拉力传感器、盘线轮形成的直线平行。

进一步地，所述控制装置采用PID控制，PID控制是一种线性控制方法，在工业上的应用十分广泛，简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件；它将给定值与实际输出值的偏差的比例、积分和微分进行线性组合，形成控制量输出，可精确控制摩擦块做相应运动，得到准确的实验结果。

进一步地，所述升降装置包括伸缩杆与高度调节旋钮，和/或所述摩擦块为长方体形状，与细绳连接面相邻的四个表面形状为长方形，与细绳连接面相对的表面形状为正方形，以便考察摩擦力与接触面积之间的关系。

进一步地，所述控制装置上设有控制按钮，所述控制按钮包括电源按钮、匀速按钮、变速按钮、重置按钮，所述电源按钮用于控制所述控制装置的开启与停止，所述匀速按钮用于调节所述第一电机拉动所述摩擦块匀速运动的速度，所述变速按钮用于调节所述第一电机拉动所述摩擦块变速运动的速度，所述重置按钮控制第三电机驱动所述摩擦块返回至起始位置和控制第二电机驱动图像采集装置返回至起始位置，此时老师可以向同学们讲解实验现象，与同学们交流互动，节约时间，简化实验操作，十分方便。

进一步地，向所述控制装置输入匀速算法公式或变速算法公式控制摩擦块匀速运动或变速运动；所述变速算法公式包括PWM变速算法公式、加速算法公式、减速算法公式中的一种或多种。

进一步地，所述摩擦块内设有置物槽，摩擦块的质量可以通过外加重物改变。

进一步地，所述置物槽为磁性置物槽，通过重物与置物槽之间的磁力将重物的位置固定，从而保证实验结果的准确性；

和/或，所述滑轨截面呈T字型结构，所述支撑杆的底端具有与所述滑轨相匹配的限位块。

进一步地，所述摩擦块与细绳连接面相邻的四个表面材料分别为：木材、铁、橡胶，其中橡胶面为橡胶毛刷，所述橡胶毛刷所显示的方向，便是所述摩擦块所受摩擦力的方向，所述摩擦块与细绳连接面相对的表面材料为木材。

进一步地，所述第一电机、和/或第二电机为低速电机，低速电机带来的运动偏移量较小，保证摩擦块按设定条件运动。

本发明取得的有益效果如下：

1、摩擦块四面具有不同的粗糙度，不需要更换摩擦块便可考察不同摩擦系数表面对摩擦块运动或有相对运动趋势时所受摩擦力的影响，可同时测定最大静摩擦力、滑动摩擦力与滚动摩擦力，还可考察摩擦块在斜坡上运动时的摩擦力和考察摩擦力与不同接触面积的关系；

2、采用超声波传感器实时获取摩擦块的位置和位移信息，发送给控制装置通过PID控制算法调节电机转速，使其严格按照设定的运动条件运动，精确测得摩擦块所述摩擦力；

3、本发明设有图像采集装置，可将实验过程的具体情况展示在同学们面前，吸引同学们的兴趣，加深理解；摩擦块设有橡胶毛刷，可直观显示摩擦块所受摩擦力的方向，通过图像采集装置还可投影至屏幕上；

4、置物槽的设置，可以在摩擦块内增加磁性重物从而增加摩擦块对实验台的正压力，并且增加的磁性重物在置物槽内不会发生移动，避免了其他外力的影响，保证了实验结果的准确性。

5、本发明的装置结构较简单，操作方便，实验结果准确直观。

附图说明

图1为本发明的摩擦力学习演示装置正视图；

图2为本发明的摩擦力学习演示装置实验过程示意图；

图3为本发明的控制装置结构示意图；

图4为本发明的图像采集装置、滑轨和升降装置结构示意图；

图5为本发明的摩擦力学习演示装置控制部分电性连接示意图；

图6为本发明的摩擦力学习演示装置工作原理示意图；

图中各附图标记：底座1，实验台2，摩擦块3，拉力传感器4，传送装置5，盘线轮6，控制装置7，显示屏8，图像采集装置9，细绳10，升降装置11，超声波传感器12，立柱101，铰接块102，滑轨103，第一支撑架201，上托平板202，第二支撑架203，压力称204，滚轮301，置物槽302，橡胶毛刷303，传送带501，驱动滚筒502，从动滚筒503，标记块504，刻度505，集成电路板701，单片机702，无线信息发送器703，无线信息接收器704，USB接口705，电源按钮706、匀速按钮707、变速按钮708、重置按钮709，摄像头901，支撑杆902，第二电机903，限位块904。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本实施例的摩擦力学习演示装置，如图1～6所示，包括：底座1、实验台2、摩擦块3、拉力传感器4、传送装置5、盘线轮6、控制装置7、显示屏8、图像采集装置9。

其中，传送装置5包括传送带501、驱动滚筒502、从动滚筒503，传送带504由驱动滚筒502驱动，由从动滚筒503带动运动，驱动滚筒502包括第一电机(型号ZWMD008008-152-01)、传动轴、联轴器和减速器(均为输送机常用配件，图中未示出)；传送带501侧边设有标记块504，靠近标记块504的一侧设有刻度505，传送带移动的距离可以通过标记块504或刻度505示出；

实验台2上设有支撑固定传送装置5的第一支撑架201；实验台2上还设有托举上方传送带501的上托平板202，通过第二支撑架203置于实验台2上，上托平板202表面下设有压力称204，摩擦块3起始置于压力称204上；

底座1上设有立柱101，立柱101顶端焊接有铰接块102，底座1与实验台2通过铰接块102铰接；底座1与实验台2之间还设有升降调节装置11，包括伸缩杆1101与高度调节旋钮1102，用于调节实验台2坡度；

摩擦块3为长方体形状，与细绳10连接面相邻的四个表面形状为长方形且面积相同，其中三个表面具有不同的粗糙度，其材料分别为：木材、铁、橡胶，其中橡胶面为橡胶毛刷303，实验中橡胶毛刷303所显示的方向，便是摩擦块3所受摩擦力的方向，另一个表面的四个角设有滚轮301，可用于测试摩擦块3滚动时受到的摩擦力；摩擦块3与细绳10连接面相对的表面材料为木材且形状为正方形，面积比前述四个表面的面积小；摩擦块3内部还设有置物槽302，摩擦块3的质量可以通过外加重物改变；

拉力传感器4(型号VS16)一端通过细绳10与摩擦块3连接、另一端通过细绳10与盘线轮6连接；连接摩擦块3、拉力传感器4、盘线轮6的细绳10与实验台2平行；

底座1设有呈T字型结构的滑轨103，图像采集装置9包括摄像头901与支撑杆902，摄像头901固定在支撑杆902上，支撑杆902上设有第二电机903(型号ZWMD008008-152-01)，支撑杆902的底端具有与滑轨103相匹配的限位块904，通过第二电机903的驱动以及滑轨103与限位块904的配合，图像采集装置9可在滑轨103上移动；

控制装置7与显示屏8设于底座1上，控制装置7包括集成电路板701、插接于集成电路板701上的单片机702(型号AT89C51)、无线信息发送器703、无线信息接收器704和USB接口705，单片机采用PID控制算法；控制装置7的集成电路板701上设有控制按钮，包括电源按钮706、匀速按钮707、变速按钮708、重置按钮709，电源按钮706用于开启与停止控制装置7，匀速按钮707用于调节第一电机501拉动所述摩擦块3做匀速运动的速度，变速按钮708用于调节第一电机501拉动摩擦块3做变速运动的速度，重置按钮709控制第三电机304驱动摩擦块3返回至起始位置和控制第二电机903驱动图像采集装置9返回至起始位置。

压力称204、拉力传感器4、第一电机501、第二电机903、摄像头901与控制装置7连接，控制装置7将压力称204得到的摩擦块重量数据、拉力传感器4得到的拉力数据、摄像头901所采集图像的信息通过无线信息发送器703发出，然后通过无线信息接收器704接收信号在显示屏8上显示。显示屏8显示的数据包括：摩擦块的重量、摩擦力、摩擦系数数据以及摄像头所采集到的图像。

通过USB接口705连接计算机，或再连接投影设备，将图像采集装置9采集的信息以及摩擦实验数据投影展示，同学们可以很方便地观察实验，加深对摩擦力知识点的理解。

实施例2：

如图1～6所示，在实施例1的基础上，本实施例的装置中所使用的电机均为低速电机，在运动时带来的位移偏移量小，较易控制。

实施例3：

如图1～6所示，本实施例的装置，在实施例2的基础上，实验台2上靠近标记块504的位置设有超声波传感器12，位于底座1上，超声波传感器12(型号TCRT16-40)、标记块504形成的直线与摩擦块3、拉力传感器4、盘线轮6形成的直线平行；通过超声波传感器12可以获取标记块504的实时位置，从而获得传送带501的运动速度，并将该信号传送到控制装置7，控制装置7通过PID算法向第一电机发出指令调节电机转速，使得电机提供的牵引力能让传送带501按设定的运动条件运动，拉力传感器4感应到第一电机的牵引力通过控制装置7计算出牵引力值，根据牛顿第三定律可知，该牵引力即为摩擦块3所受摩擦力。

实施例4：

如图1～6所示，本实施例的装置，在实施例3的基础上，置物槽302为磁性置物槽，通过重物与置物槽302之间的磁力将重物的位置固定，增加的磁性重物在置物槽内不会发生移动，避免了其他外力的影响。

实施例5：

以实施例4的装置为研究对象，进行摩擦力实验演示。

实验1：演示静摩擦力相对运动方向、滑动摩擦力运动方向

将摩擦块3具有橡胶毛刷302的一面置于传送带501上，压力称204称量摩擦块3的重量，然后按下电源按钮706和匀速按钮707，第一电机驱动驱动滚筒502带动传送带501移动，从而摩擦块3与传送带501做相对运动趋势或相对运动，超声波传感器12通过感应标记块504的位置确定标记块504的位移数据从而获得传送带501的运动速度，发送给控制装置7，控制装置7通过PID算法向第一电机发出指令调节电机转速，使得电机提供的牵引力能让传送带501按设定的运动条件运动；第二电机903带动图像采集装置9与摩擦块3同步运动，通过显示屏8和USB接口705外接计算机与投影设备观察橡胶毛刷302的毛刷方向，从而确定摩擦块3与传送带501做相对运动趋势的方向和相对运动的方向。

每次实验完成后按下重置按钮709使图像采集装置9返回起始位置。此时老师可以向同学们讲解实验现象，与同学们交流互动。

实验2：测量水平面上静摩擦力、最大静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力

将摩擦块3具有橡胶毛刷302的一面置于实验台2上，压力称201称量摩擦块3的重量，然后按下电源按钮706和匀速按钮707，通过第一电机驱动驱动滚筒502带动传送带501移动，带动摩擦块3与实验台2做相对运动，由超声波传感器12和PID控制算法精准控制电机拉力大小，拉力传感器4测得的数据即为准确的摩擦力。与实验1类似，实验现象同样可以通过图像采集装置9进行实时演示，从而可以很直观的观察到静摩擦力、最大静摩擦力、滑动摩擦力。

通过观察可以发现，静摩擦力随外力而变化，当外力增加至一定程度时，即达到最大静摩擦力，之后摩擦块开始运动，此时为滑动摩擦力，并且最大静摩擦力略大于滑动摩擦力。

将摩擦块3设有滚轮301的一面置于实验台2上，其他步骤同上，即可演示滚动摩擦力。

每次实验完成后按下重置按钮709使图像采集装置9返回起始位置。同样的，此时老师可以向同学们讲解实验现象，与同学们交流互动。

实验3：考察斜面上静摩擦力、最大静摩擦力和滑动摩擦力

将摩擦块3木材表面的一面置于传送带501上，压力称204称量摩擦块3的重量，然后通过升降装置11调节实验台2与底座1成一定角度，其他步骤同实验2。

实验4：研究影响静摩擦力、最大静摩擦力和滑动摩擦力的因素

(1)以摩擦块3的木材、铁、橡胶毛刷表面置于实验台2上，演示摩擦力与接触面摩擦材料的关系，观察静摩擦力、最大静摩擦力到滑动摩擦力的变化过程。

(2)以木材表面与实验台2接触，向摩擦块2的置物槽302内放入磁性重物以改变摩擦块3的重量，观察静摩擦力、最大静摩擦力到滑动摩擦力的变化过程。

(3)以摩擦块与细绳连接面相对的表面与实验台2接触，即改变接触面积，观察静摩擦力、最大静摩擦力到滑动摩擦力的变化过程。

(4)以木材表面与实验台2接触，按下变速按钮708，向控制装置7输入PWM变速算法公式，使摩擦块3做加速运动，观察静摩擦力、最大静摩擦力到滑动摩擦力的变化过程。

实验1～4的实验数据列于表1。

表1

由表1中实验数据可知，物体所受摩擦力与物体的正压力(实验4(1)木材和实验4(2))、接触面粗糙程度实验(4(1)木材、钢铁、橡胶毛刷)有关，与物体运动速度(实验4(1)木材和实验4(4))、物体间接触面积(实验4(1)木材和实验4(3))无关；接触面之间的摩擦系数与物体的正压力(实验4(1)木材和实验3)、物体运动速度(实验4(1)木材和实验4(4))、物体间接触面积(实验4(1)木材和实验4(3))无关。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摩擦力学习演示装置，其特征在于，包括：底座、实验台、摩擦块、拉力传感器、传送装置、盘线轮、控制装置、显示屏、图像采集装置；

所述传送装置包括传送带、驱动滚筒、从动滚筒，所述传送带由驱动滚筒驱动，由从动滚筒带动运动，所述驱动滚筒包括第一电机、传动轴、联轴器和减速器；所述传送带侧边设有标记块，靠近所述标记块一侧设有刻度；

所述实验台上设有支撑固定所述传送装置的第一支撑架；所述实验台上还设有托举上方传送带的上托平板，通过第二支撑架置于所述实验台上，所述上托平板表面下设有压力称，所述摩擦块起始置于所述压力称上；

所述底座上设有立柱，所述立柱顶端焊接有铰接块，所述底座与实验台通过所述铰接块铰接，所述底座与实验台之间设有用于调节实验台坡度的升降调节装置；

所述摩擦块与细绳连接面相邻的四个表面面积相同，其中三个表面具有不同的粗糙度，另一个表面的四个角设有滚轮，与细绳连接面相对的表面比前述四个表面的面积小；

所述拉力传感器一端通过细绳与摩擦块连接、另一端通过细绳与盘线轮连接；连接所述摩擦块、拉力传感器、盘线轮的细绳与所述实验台平行；

所述底座设有滑轨，所述图像采集装置可在所述滑轨上移动，所述图像采集装置包括摄像头与支撑杆，所述摄像头固定在所述支撑杆上，所述支撑杆上设有驱动所述图像采集装置移动的第二电机；

所述控制装置与显示屏设于所述底座上，所述控制装置包括集成电路板、插接于集成电路板上的单片机、无线信息发送器、无线信息接收器和USB接口；所述压力称、拉力传感器、第一电机、第二电机、图像采集装置与所述控制装置连接，所述控制装置将所述压力称、拉力传感器、摄像头所采集图像的信息通过无线信息发送器发出，然后通过无线信息接收器接收信号在所述显示屏上显示；所述显示屏显示摩擦块的重量、摩擦力、摩擦系数数据以及摄像头所采集到的图像。

2.如权利要求1所述的摩擦力学习演示装置，其特征在于，还包括与所述控制装置连接的超声波传感器，位于所述底座上，用于获取所述标记块位置。

3.如权利要求1所述的摩擦力学习演示装置，其特征在于，所述控制装置采用PID控制。

4.如权利要求1所述的摩擦力学习演示装置，其特征在于，所述升降装置包括伸缩杆与高度调节旋钮，和/或所述摩擦块为长方体形状，与细绳连接面相邻的四个表面形状为长方形，与细绳连接面相对的表面形状为正方形。

5.如权利要求1所述的摩擦力学习演示装置，其特征在于，所述控制装置上设有控制按钮，所述控制按钮包括电源按钮、匀速按钮、变速按钮、重置按钮，所述电源按钮用于控制所述控制装置的开启与停止，所述匀速按钮用于调节所述第一电机拉动所述摩擦块匀速运动的速度，所述变速按钮用于调节所述第一电机拉动所述摩擦块变速运动的速度，所述重置按钮控制第三电机驱动所述摩擦块返回至起始位置。

6.如权利要求5所述的摩擦力学习演示装置，其特征在于，向所述控制装置输入匀速算法公式或变速算法公式控制摩擦块匀速运动或变速运动；所述变速算法公式包括PWM变速算法公式、加速算法公式、减速算法公式中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的摩擦力学习演示装置，其特征在于，所述摩擦块内设有置物槽。

8.如权利要求1至7中任一项所述的摩擦力学习演示装置，其特征在于，所述置物槽为磁性置物槽；和/或所述滑轨截面呈T字型结构，所述支撑杆的底端具有与所述滑轨相匹配的限位块。

9.如权利要求8所述的摩擦力学习演示装置，其特征在于，所述摩擦块与细绳连接面相邻的三个表面材料分别为：木材、铁、橡胶，其中橡胶面为橡胶毛刷，所述摩擦块与细绳连接面相对的表面材料为木材。

10.如权利要求9所述的摩擦力学习演示装置，其特征在于，所述第一电机、和/或第二电机为低速电机。