CN110288882A - 教学演示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种教学演示系统，包括：两个金属板，用于通电后在金属板之间形成电场；放置于所述金属板之间的金属球轨道；放置于金属球轨道两端的金属球选择器，用于放置金属球。本发明通过上述教学演示系统可以完成对于牛顿力学体系相关定律(例如牛顿第一定律或牛顿第二定律)的验证，同时可以避免摩擦力与空气阻力带来的系统误差，也就可以精确的完成实验数据的测量与记录。

Description

教学演示系统

技术领域

本发明涉及教育技术领域，更具体地说，本发明涉及一种教学演示系统。

背景技术

传统的教学实验并不能直接得到牛顿力学体系相关定律(例如牛顿第一定律或牛顿第二定律)的结论，需要进行基于实验现象的演绎推理，然而现有的教学演示方法中存在着难以进行定量分析、试验精度较低等问题。

同时，由于我们目前所学习的力学知识均存在于牛顿力学体系中，加之以上所提及的两大定律是经典力学必不可少的根基，目前对于上述实验结果的的精确性的需求是十分强烈的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供教学演示系统，以精确且快速的确定实验结果。

根据本发明，提供了一种教学演示系统，包括：两个金属板，用于通电后在金属板之间形成电场；放置于所述金属板之间的金属球轨道；放置于金属球轨道两端的金属球选择器，用于放置金属球。

优选地，所述系统还包括：高速摄像机，用于采集金属球在金属球轨道中运动过程中的视频信息。

优选地，所述系统还包括：与所述金属板分别相连的电源，用于使所述两个金属板分别携带属性相反的电荷。

优选地，所述系统还包括：设置于金属板的第一传感器，用于采集金属板所携带的电荷总量；设置于金属球轨道的第二传感器，用于金属球轨道中所述金属球所处的位置信息。

优选地，所述系统还包括：图像生成部件，用于根据所述电荷量和位置信息生成金属球运动过程中的受力和加速度之间的函数图像。

优选地，所述金属球选择器中包括多个立方体状凹槽，所述凹槽用于放置金属球。

优选地，所述凹槽中设置有至少一个电磁铁，用于控制放置于立方体状凹槽中金属球所携带的电荷量。

优选地，所述系统还包括：环境调节部件，用于为教学演示系统提供微重力环境。

优选地，所述金属球轨道呈圆柱状，所述金属球轨道侧壁材质包括透明玻璃状。

本发明通过上述教学演示系统可以完成对于牛顿力学体系相关定律(例如牛顿第一定律或牛顿第二定律)的验证，同时可以避免摩擦力与空气阻力带来的系统误差，也就可以精确的完成实验数据的测量与记录。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据本发明实施例的教学演示系统的结构示意图。

图2示意性地示出了根据本发明实施例的金属球选择器的结构示意图。

图3示意性地示出了根据本发明实施例的金属球选择器中凹槽内部的结构示意图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

如图1所示，本发明优选实施例的教学演示系统包括：

两个金属板11，用于通电后在金属板之间形成电场；

放置于所述金属板之间的金属球轨道12；

放置于金属球轨道两端的金属球选择器13，用于放置金属球。

其中，所述金属板可以是任意材质的，例如可以是铝制金属板。本实现方式中，所述金属板平行的放置于所述金属球轨道的两端。

在一优先例中，所述金属球轨道呈圆柱状，所述金属球轨道侧壁材质包括透明玻璃状。例如，所述金属球轨道可以是一段透明有机玻璃圆管，长度为0.5m。在另外的实施例中，所述有机玻璃圆管上标有刻度线，以准确衡量金属球所处的位置。

在另一优先例中，所述金属球选择器用于放置金属球，在教学演示的过程中，金属球可以在金属板之间产生的电场力的作用下，从设置于金属球轨道一端的金属球选择器滚动到设置于金属球轨道另一端的金属球选择器。

本实现方式中，所述金属球选择器中放置有多个质量不同的金属球，进而在教学演示的过程中，选取相应质量的金属球，得到对应的教学场景。例如，金属球选择器中放置有50g、100g、150g、200g、250g、300g的金属球各一个，其中，金属球的直径小于金属球轨道的直径。

本实现方式中，位于金属球轨道一侧的金属球选择器可以设置有六个质量不同的金属球，可由马达带动装置(未示出)旋转，来选择金属球的质量。当金属球选择器的出口正对着金属球轨道的一端时，停止转动；位于金属球轨道另一侧的金属球选择器中不设置有金属球。在教学演示过程中，金属球可以通过金属球轨道，进入另一侧的金属球选择器中。

本发明通过上述教学演示系统可以完成对于牛顿力学体系相关定律(例如牛顿第一定律或牛顿第二定律)的验证，同时可以避免摩擦力与空气阻力带来的系统误差，也就可以精确的完成实验数据的测量与记录。

本实现方式中，如图2示，所述金属球选择器中包括多个立方体状凹槽21，所述凹槽用于放置金属球。

本实现方式中，如图3示，所述凹槽中设置有至少一个电磁铁31，用于控制放置于立方体状凹槽中金属球所携带的电荷量。

本实现方式中，当教学演示系统的金属板被导入电荷后将会产生向右的匀强电场，位于金属球选择器中心的电磁铁通电后将会对金属球产生向左的吸引力，然后将一定量的正电荷通过所述凹槽的侧壁导入金属球中。此时金属球会受到电场力和磁力，方向相反。金属球的电荷量继续增加，受到的电场力也继续增加。当电场力略大于磁力时，电荷量不再增加。通过控制电磁铁的电流强度和两侧平行金属板的电势差即可控制到金属球所带的电荷量。

在另一优先例中，所述系统还包括：高速摄像机，用于采集金属球在金属球轨道中运动过程中的视频信息。这样设置的好处在于，可以以视频信息的方式记录中小学物理等相关知识的教学提供理想的素材。

在另一优先例中，所述金属球轨道呈圆柱状，所述金属球轨道侧壁材质包括透明玻璃状，进而可以使高速摄像机拍摄到金属球轨道内部的图像。

在另一优先例中，所述系统还包括：与所述金属板分别相连的电源，用于使所述两个金属板分别携带属性相反的电荷。

优选的，所述系统还包括：环境调节部件，用于为教学演示系统提供微重力环境，以排除在实验中存在的重力与摩擦力的干扰，让牛顿定律可以通过定量实验直接验证，为老师们今后教学活动提供了方便。

其中，微重力环境是指重力或其它的外力引起的加速度不超过10e-5～10e-4g，例如太空环境就是微重力环境。本实施例中，可以利用环境调节部件将教学演示系统中的空气排出，使得教学演示系统处于微重力环境。

本实现方式中，所述系统还包括：设置于金属板的第一传感器，用于采集金属板所携带的电荷总量；设置于金属球轨道的第二传感器，用于金属球轨道中所述金属球所处的位置信息。

本实现方式中，所述系统还包括：图像生成部件，用于根据所述电荷量和位置信息生成金属球运动过程中的受力和加速度之间的函数图像。

本实现方式中，所述教学演示系统可以用于演示牛顿第一定律的实验。作为示例，在实验开始时，所述金属板可以接通电源，使并使所述两个金属板携带电荷相反的电荷(例如，左侧金属板带正电荷，右侧金属板带负电荷)，形成电场。此时，左侧的金属球选择器将使金属球带上一定单位的正电荷，驱动金属球向右端运动。约两秒后，将金属板上的电荷导出，金属球将在该圆柱体中做直线运动到金属球轨道的末端，最后进入右侧的金属球选择器中。整个过程用高速摄像机记录(摄像机跟随金属球运动，使视角始终与金属球垂直)。改变通过电磁铁的电流强度(改变金属球所带的电荷量，进而改变了金属球的速度)和金属球质量进行多次实验。在实验结束后分析实验视频，计算在电荷导出后，金属球运动过程中不同时刻的速度，得到金属球的运动状态，从而得到结论。

作为示例，两个金属板之间的电势差可以是20V，形成了25N/C的匀强电场。电荷量为0.0016C的金属球首先将在金属球轨道内做加速运动，加速时间为0.7秒，最大加速距离为0.1m。随后电场消失，金属球做匀速直线运动。

在另外的实现方式中，所述教学演示系统可以用于演示牛顿第二定律的实验。作为示例，在实验开始时，所述金属板可以接通电源，使并使所述两个金属板携带电荷相反的电荷(例如，左侧金属板带正电荷，右侧金属板带负电荷)，形成电场。然后将左侧的金属球选择器将金属球带上一定单位的正电，驱动带电金属球运动。金属球将在该金属球轨道中匀速直线运动到圆柱体的末端，最后进入右侧的金属球选择器中。整个过程用高速摄像机记录(摄像机跟随金属球运动，使视角始终与金属球垂直)。将金属球选择器旋转，更换质量不同的金属球，重复上述操作，得到加速度与质量的倒数之间的关系。再改变两个金属板所带的电荷量进行多次实验(改变金属球所带的电荷量也可以)，得到a与F的关系。

带电金属球在电场中持续受到电场力的作用，在这个阶段，金属球做匀加速直线运动。我们可以通过观察金属球的运动状态，计算出金属球的加速度a。所述金属板之间的距离为d、电势差为U，所以电场强度E＝U/d，而金属金属球所带的电荷量为q，从而计算出金属球的受力F＝Eq。

本实现方式中，两个金属板之间的电势差为20V，形成了25N/C的匀强电场。电荷量为0.0016C的铁质金属球将在透明圆柱体内做匀加速直线运动，加速距离为0.5m。6个金属球在过程中受到的电场力均为0.02N。

本实现方式中，将使用质量为0.3kg的金属球进行实验，保持两金属板之间的电势差和距离不变，逐渐增大通过电磁铁的电流，金属球的电荷量增大，从而增加了金属球在电场中的受力。通过观察高速摄像机所拍摄的视频，记录金属球在不同时刻所处的位置，可以计算出金属球的加速度a。

本实现方式中，通过上述实验就可以完成对于牛顿三大定律其中两个定律的直接验证，做到了避免摩擦力与空气阻力带来的系统误差，也就可以精确的完成实验数据的测量与记录。在过程中录制的实验视频可以为教师们提供良好的授课素材，在今后中学物理课程与科普教学中关于牛顿第一定律和牛顿第二定律不仅仅是推测出来的数据与不完美的实验。同时，观看实验视频以及学习实验得出的科学结论也可以让学生们逐步养成尊重客观事实的习惯以及一切都以精确的实验数据为准的准则。更进一步，本实验能够展现出与地面环境中完全不同的物理现象，这将激发我国广大青少年对宇宙空间科学的向往以及对其他科学知识学习的热情。

此外，需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种教学演示系统，其特征在于，所述系统包括：

两个金属板，用于通电后在金属板之间形成电场；

放置于所述金属板之间的金属球轨道；

放置于金属球轨道两端的金属球选择器，用于放置金属球。

2.根据权利要求1所述的教学演示系统，其特征在于，还包括：

高速摄像机，用于采集金属球在金属球轨道中运动过程中的视频信息。

3.根据权利要求1所述的教学演示系统，其特征在于，还包括：

与所述金属板分别相连的电源，用于使所述两个金属板分别携带属性相反的电荷。

4.根据权利要求1所述的教学演示系统，其特征在于，还包括：

设置于金属板的第一传感器，用于采集金属板所携带的电荷总量；

设置于金属球轨道的第二传感器，用于金属球轨道中所述金属球所处的位置信息。

5.根据权利要求4所述的教学演示系统，其特征在于，还包括：

图像生成部件，用于根据所述电荷量和位置信息生成金属球运动过程中的受力和加速度之间的函数图像。

6.根据权利要求1所述的教学演示系统，其特征在于：

所述金属球选择器中包括多个立方体状凹槽，所述凹槽用于放置金属球。

7.根据权利要求6所述的教学演示系统，其特征在于：

所述凹槽中设置有至少一个电磁铁，用于控制放置于立方体状凹槽中金属球所携带的电荷量。

8.根据权利要求1所述的教学演示系统，其特征在于，还包括：环境调节部件，用于为教学演示系统提供微重力环境。

9.根据权利要求1所述的教学演示系统，其特征在于：

所述金属球轨道呈圆柱状，所述金属球轨道侧壁材质包括透明玻璃状。