CN110503879A - 一种高中物理相互作用力演示教具 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高中物理相互作用力演示教具，包括一个直角平台和两个质量相同的磁体小车，直角平台包括一个水平底板和一个竖直挡板；水平底板和竖直挡板固定连接成一个直角空间；两个磁体小车磁极相反设置在所述直角空间中；水平底板和竖直挡板设置有刻度线和刻度值；所述磁体小车上设置有可指向所述刻度线的指针。本发明通过将两个磁体小车的指针定位指向相对中间刻度对称的刻度值位置，同时释放磁体小车，两个磁体小车将会朝向彼此运动，两个磁体小车最后相遇的位置正好位于中间刻度位置即可证明相互作用力大小相等方向相反作用在一条直线上，可用于直观演示中学物理课程教学过程中演示相互作用力的原理。

Description

一种高中物理相互作用力演示教具

技术领域

本发明涉及一种教学演示教具，尤其是中学物理教学演示的教具，特别涉及一种高中物理相互作用力演示教具。

背景技术

牛顿三大定律是高中物理课程教学的重要内容，三大定律相互独立，教学中通常以不同的演示实验向学生讲解。其中牛顿第三定律揭示出是物体间的相互作用力大小相等方向相反作用在一条直线上。相互作用力的特点是：只要一个物体对另一个物体施加了力，受力物体反过来也肯定会给施力物体施加一个力，力的作用是相互的。高中物理课程教学中演示相互作用力通常用弹簧之类的测力计测量两个物体之间的作用力，或者通过气垫导轨与传感器来测量两物体之间的相互作用力，以此证明物体间的相互作用力大小相等方向相反作用在一条直线上，弹簧测力计无法解释不接触的两个物体之间的相互作用力大小，传感器昂贵且生活中不易得到、学生难于理解。

CN 101958074 A公开了一种物体间相互作用力探究仪，包含两块磁体，两块磁体均为中部开孔的圆形磁体，两块磁体通过中部的孔穿接在水平杆上，水平杆两端被支架支撑起来。将两圆形磁体穿在水平杆上，当异名磁极相邻时，两磁体都向内移动至中线处，说明作用力与反作用力同时存在且大小相等。该现有技术的演示教具原理简洁明了，实验现象简单直观，可以有效降低学生理解的难度。

然而该现有技术的演示教具的结构太过简陋，不确定因素太多，很难操作，演示时成功的概率很低。例如，该现有技术采用两个圆形磁体，不但需要两个圆形磁体的重量完全相同，而且还需要外形也完全一致，磁体中部的孔也要与水平杆的大小完美匹配，孔太大磁体就容易偏转，而且磁体圆度稍有不同就会导致摩擦力不一致，演示的磁体移动的距离就会不同。另外，该现有技术的控制装置通过手动方式将两个磁体控制在对称的位置，本身就很困难。而且要手动将控制装置移除，确保两个磁体的位置不变且同时开始运动，稍微有一点抖动或者偏移都是无法做到的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供高中物理相互作用力演示教具，以减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种高中物理相互作用力演示教具，包括一个直角平台和两个质量相同的磁体小车，所述直角平台包括一个水平底板和一个竖直挡板；所述水平底板和竖直挡板固定连接成一个直角空间；所述两个磁体小车的内部设置有钕铁硼磁铁，所述磁体小车的磁极相反设置在所述直角空间中，并位于所述水平底板上沿着所述水平底板和竖直挡板的连接线运动；所述水平底板和竖直挡板位于所述直角空间的一侧设置有位置对应的刻度线和刻度值，所述刻度线具有一个中间刻度，所述中间刻度两侧的刻度值相对所述中间刻度对称显示；所述磁体小车上设置有可指向所述刻度线的指针。

优选地，所述竖直挡板上支撑有一根平行于所述连接线的导向杆；所述磁体小车的顶部设置有与所述导向杆配合的向上开口的导槽件；所述导向杆穿设在所述导槽件中使得所述磁体小车可沿着所述导向杆运动。

优选地，所述导向杆上相对所述刻度线的中间刻度对称设置有两个卡销，所述导槽件上等间隔设置有多个可与所述卡销配合的卡槽；所述卡销可随着所述导向杆的转动卡入所述卡槽或者从所述卡槽中脱离。

优选地，所述导向杆通过两个悬臂可转动地支撑在所述竖直挡板上，所述导向杆的两端各固定连接有一个转动轮。

优选地，所述卡销卡入任意一个卡槽中，在两个磁体小车的相互作用力的吸引下，所述磁体小车上的指针均可以对准一个刻度线。

本发明通过将两个磁体小车的指针定位指向相对中间刻度对称的刻度值位置，同时释放磁体小车，两个磁体小车将会朝向彼此运动，两个磁体小车最后相遇的位置正好位于中间刻度位置即可证明相互作用力大小相等方向相反，可用于直观演示中学物理课程教学过程中演示相互作用力的原理。另外，本申请的演示教具采用了纯机械化的结构，不涉及任何声、光、电等低年级学生难以理解的内容，学生易于理解，可以大幅增加对牛顿定律的可信度。本申请的演示教具结构简单，易于移动，可置于教课桌上近距离观察。另外，本申请的卡销可随着导向杆的转动同步释放磁体小车，同步性和准确性高，几乎可以完全杜绝演示失败的偶然因素的干扰，非常适于学生动手重现实验结果，学生的直观感受强烈，可以获得更好的教学效果。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的高中物理相互作用力演示教具的结构示意图；

图2显示的是图1所示高中物理相互作用力演示教具的局部分解示意图；

图3显示的是图1所示高中物理相互作用力演示教具的移除小车之后的分解示意图；

图4显示的是图1所示高中物理相互作用力演示教具的小车的放大示意图；

图5显示的是图1中局部结构放大示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

如图1-5所示，其分别显示的是根据本发明的一个具体实施例的高中物理相互作用力演示教具的结构示意图、局部分解示意图以及移除小车之后的分解示意图、小车的放大示意图以及图1中局部结构放大示意图。所述演示教具特别适用于中学物理课程教学过程中演示相互作用力的原理。

具体来说，本发明的高中物理相互作用力演示教具包括一个直角平台1和两个质量相同的磁体小车2，直角平台1包括一个水平底板11和一个竖直挡板12；水平底板11和竖直挡板12固定连接成一个直角空间；两个磁体小车2的内部设置有钕铁硼磁铁，磁体小车2的磁极相反设置在直角空间中，并位于水平底板11上沿着水平底板11和竖直挡板12的连接线14运动；水平底板11和竖直挡板12位于直角空间的一侧设置有位置对应的刻度线13和刻度值，刻度线13具有一个中间刻度，中间刻度两侧的刻度值相对中间刻度对称显示；磁体小车2上设置有可指向刻度线13的指针23。

具体的，两个磁体小车2的结构相对中间刻度是对称的，也就是图示呈长条形结构的两个磁体小车2是完全相同的，只是设置在两个磁体小车2的侧边端部的两个指针23是对称的。钕铁硼磁铁是磁力很强的永磁体，为了增强磁体小车2的相互作用力，两侧磁体小车2的内部通过铁皮包裹有多个钕铁硼磁铁。在磁体小车2的下部穿过铁皮设置有两根车轴(图中未示出)，车轴的两端各设置有一个车轮，如图所示。

磁体小车2的车轮可以采用规格相同的塑料车轮，指针23可以采用质量很轻的塑料片粘贴在车体的侧面。车轮和指针23的质量相对磁体小车2的磁铁部分来说是很小的，因而可以忽略车轮和指针对磁体小车2的外形干扰。另外，磁体小车2通过铁皮包裹多个钕铁硼磁铁而具有较大的质量，两个磁体小车2的主体结构为简单的长条形，很容易加工成相同的外形，两个磁体小车2的质量差别可以通过在铁皮中塞入补偿块(图中未示出)加以平衡。

本发明的基本演示原理是，通过将两个磁体小车2的指针23定位指向相对中间刻度对称的刻度值位置，同时释放磁体小车2，两个磁体小车2将会朝向彼此运动，由于两个磁体小车2的状态完全相同，在相互作用力的作用下，两个磁体小车2最后相遇的位置应该正好位于中间刻度位置。以此可以证明相互作用力大小相等方向相反。

设置直角平台1可以提供一个性状一致的水平底板11，确保两个磁体小车2具有相同的摩擦力，另外，竖直挡板12可以提供一个可供磁体小车2沿着其直线运动的连接线14，让两个磁体小车2靠着竖直挡板12，即可使得两个磁体小车2沿着连接线14直线运动。竖直挡板12上的刻度线13可以在演示的时候方便学生观察磁体小车2的位置是否对准，水平底板11上对应的刻度方便演示老师查看磁体小车2的位置，而无需老师转到竖直挡板12的一侧来看刻度位置，可以避免遮挡学生的视线。水平底板11和竖直挡板12可以采用透明亚克力板粘接而成，为了避免刻度对摩擦力的影响，可以在水平底板11和数字挡板12上粘贴一张弯折成直角的印刷有刻度线和刻度值的光滑铜版纸，或者也可以在水平底板11和数字挡板12的外侧粘贴带有刻度的贴纸或者印刷刻度线等。

当然，如果是手动控制磁体小车2的位置，释放磁体小车2的时候不可避免会产生偏差，稍有扰动两个磁体小车2是否可以沿着直线运动都很难保证，况且释放的时机不同也会造成极大的干扰，使得演示实验的结果无法保证准确性。鉴于此，本发明提供了如下改进的设计，可以极大提高演示实验的精度，彻底杜绝人工因素的干扰问题。

进一步地，如图所示，在本发明的一个改进的实施例中，竖直挡板12上支撑有一根平行于连接线14的导向杆15；磁体小车2的顶部设置有与导向杆15配合的向上开口的导槽件25；导向杆15穿设在导槽件25中使得磁体小车2可沿着导向杆15运动。通过导向杆15和对应的导槽件25，可以确保磁体小车2沿着导向杆15运动，杜绝了磁体小车2不沿直线运动的缺陷。向上开口的导槽件25便于导向杆15安装设置到导槽件25中，而且也便于后续通过导向杆15上的结构释放磁体小车2，下面对此进一步说明。

进一步地，在本发明的另一个改进的实施例中，导向杆15上相对刻度线13的中间刻度对称设置有两个卡销16，导槽件25上等间隔设置有多个可与卡销16配合的卡槽26；卡销16可随着导向杆15的转动卡入卡槽26或者从卡槽26中脱离。即，在本实施例中，导向杆15上设置有两个卡销16，通过卡销16可以将两个磁体小车2卡在相对中间刻度对称的位置上。在图1所示具体实施例中，卡销16呈水平状态卡在导槽件25的端部(如图5放大示意图所示)，使得两个磁体小车2的指针23正好对准两个刻度值为7的刻度线13。此时，如果转动导向杆15，使得两个卡销16从水平状态转动到竖直状态，卡销16的两个端部将会同步脱离卡住导槽件25的状态，两个磁体小车2将会准确的同步被释放，因而可以确保不会出现干扰，可以极大提高演示实验的精度，彻底杜绝人工因素的干扰问题。类似的，如果将卡销16转换到导槽件25的其它位置，例如将卡销16从图示的导槽件25的端部转换到紧邻端部的卡槽26中，则两个磁体小车2的指针23会正好对准两个刻度值为6的刻度线13，从这个位置同步释放磁体小车2，也可以获得同样的效果。

多个卡槽26的设置，提供了从多个位置进行实验的可能性，使得学生对力学原理的认识会更深刻。如果只有一个卡槽26，则有可能被学生误解为只有这个距离牛顿第三定律才成立，显然不利于学生开拓思维。

应当说明的是，图示具体实施例中，卡销16卡在导槽件25的端部，这个位置应当被视为一个开放式的卡槽，因为卡销16对每一个卡槽26的作用，其实是顶在卡槽26的远离另一个小车的工作侧壁上的，卡槽26的另一个侧壁与卡销16并不会产生相互作用。因此，将导槽件25的端部视作一个开放式卡槽的工作侧壁也是很自然的事情，本申请的有关卡销16可随着导向杆15的转动卡入卡槽26或者从卡槽26中脱离，同样适用于导槽件25的端部。

本领域技术人员应当理解，本发明的上述实施例中，导向杆15不但具备了导向功能，而且通过转动导向杆15，使得导向杆15还具备了同步释放磁体小车2的功能，一个结构具备两个不同的功能是具备突出的实质性特点和显著的进步的，具备专利法意义上的创造性。另外，由于在转动导向杆15的时候，其上的卡销16需要能够从卡槽26中脱离，因而之前所述的向上开口的导槽件25，其向上的开口就可以获得释放卡销16的技术效果，也就是向上开口的导槽件25，同样具备便于安装导向杆15以及便于释放卡销16的双重功能，而导向杆15和卡销16是用于不同的目的设置的结构，向上开口的导槽件15的双重功能没有关联性，同一部件具备两个独立的功能也是具备突出的实质性特点和显著的进步的，具备专利法意义上的创造性。

当然，本领域技术人员应当理解，通过转动导向杆15，可以将卡销16移动到导槽件25的任意一个卡槽26中。相邻卡槽26之间的间隔原则上应该与刻度线13之间的间隔相等。卡槽26的宽度应当大于卡销16的直径，以便于顺利卡销16顺利从卡槽26中移出，在这种情形下，卡销16是通过卡住卡槽26的一个工作侧壁进行定位的，因而优选地，卡销16卡入任意一个卡槽26中的时候，在两个磁体小车2的相互作用力的吸引下，磁体小车2上的指针23均可以对准一个刻度线13。也就是说，在本实施例中，卡销16定位磁体小车2的位置依靠的是卡槽26远离另一个小车的工作侧壁，相邻的两个卡槽26的工作侧壁之间的间隔，设定正好等于相邻两个刻度线13之间的间隔。因此，只要磁体小车2通过导槽件25被卡销16卡住的时候，磁体小车2上的指针23能够与一个刻度线13对准，就可以使每个卡槽26与卡销16配合的时候，磁体小车2上的指针23都可以对准一个刻度线13。

进一步地，在本发明的又一个具体实施例中，导向杆15通过两个悬臂17可转动地支撑在竖直挡板12上，导向杆15的两端各固定连接有一个转动轮18，如图所示。操作者可以简单操作任意一侧的转动轮18，即可同步释放两个磁体小车2。

本申请的演示教具采用了纯机械化的结构，不涉及任何声、光、电等低年级学生难以理解的内容，学生易于理解，可以大幅增加对牛顿定律的可信度。本申请的演示教具结构简单，易于移动，可置于教课桌上近距离观察。另外，本申请的卡销可随着导向杆的转动同步释放磁体小车，同步性和准确性高，几乎可以完全杜绝演示失败的偶然因素的干扰，非常适于学生动手重现实验结果，学生的直观感受强烈，可以获得更好的教学效果。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种高中物理相互作用力演示教具，包括一个直角平台(1)和两个质量相同的磁体小车(2)，其特征在于，所述直角平台(1)包括一个水平底板(11)和一个竖直挡板(12)；所述水平底板(11)和竖直挡板(12)固定连接成一个直角空间；所述两个磁体小车(2)的内部设置有钕铁硼磁铁，所述磁体小车(2)的磁极相反设置在所述直角空间中，并位于所述水平底板(11)上沿着所述水平底板(11)和竖直挡板(12)的连接线(14)运动；所述水平底板(11)和竖直挡板(12)位于所述直角空间的一侧设置有位置对应的刻度线(13)和刻度值，所述刻度线(13)具有一个中间刻度，所述中间刻度两侧的刻度值相对所述中间刻度对称显示；所述磁体小车(2)上设置有可指向所述刻度线(13)的指针(23)。

2.如权利要求1所述的高中物理相互作用力演示教具，其特征在于，所述竖直挡板(12)上支撑有一根平行于所述连接线(14)的导向杆(15)；所述磁体小车(2)的顶部设置有与所述导向杆(15)配合的向上开口的导槽件(25)；所述导向杆(15)穿设在所述导槽件(25)中使得所述磁体小车(2)可沿着所述导向杆(15)运动。

3.如权利要求2所述的高中物理相互作用力演示教具，其特征在于，所述导向杆(15)上相对所述刻度线(13)的中间刻度对称设置有两个卡销(16)，所述导槽件(25)上等间隔设置有多个可与所述卡销(16)配合的卡槽(26)；所述卡销(16)可随着所述导向杆(15)的转动卡入所述卡槽(26)或者从所述卡槽(26)中脱离。

4.如权利要求3所述的高中物理相互作用力演示教具，其特征在于，所述导向杆(15)通过两个悬臂(17)可转动地支撑在所述竖直挡板(12)上，所述导向杆(15)的两端各固定连接有一个转动轮(18)。

5.如权利要求4所述的高中物理相互作用力演示教具，其特征在于，所述卡销(16)卡入任意一个卡槽(26)中，在两个磁体小车(2)的相互作用力的吸引下，所述磁体小车(2)上的指针(23)均可以对准一个刻度线(13)。