CN114120772A - 一种重力加速度演示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及教育器材技术领域，具体公开了一种重力加速度演示装置，包括频闪照相机构、打点计时机构、滴水测量机构和底座，频闪相机拍摄重力球自由下落的过程并形成图像打印出来，利用相等时间间隔的位移差计算重力球的重力加速度；重力锤固定在纸带下端，打点计时器在通过纸带上进行相同频率的打点，利用相等时间间隔的位移差计算重力锤的重力加速度；水龙头的水滴落到接水盘上时通过重力传感器触发计时器开始计时，水龙头的前一水滴落到接水盘上同时后一水滴从水龙头滴落，利用同等高度计时计算水滴的重力加速度；本发明集成频闪照相法、打点计时器法及滴水法，演示功能更全面，让学生更好的了解重力加速度，提高学生的参与度及动手能力。
Description
技术领域
本发明涉及教育器材技术领域，具体涉及一种重力加速度演示装置。
背景技术
重力加速度是重力对自由下落的物体产生的加速度，重力加速度是地球物理研究中的一个基本矢量，也是对一般力学系统进行力学分析时需要考虑的一个重要参数。所以，重力加速度是物理教学中非常重要的一环，能让学生更好的了解重力加速度，就需要借助演示装置让学生更好的学习理解，现有的重力加速度的演示装置只有打点计时器，将打点计时器安装在支架上，然受手持带有重力锤的纸带，使重力锤自由下落，打点计时器在纸带上等时间的打出点，然后重力锤落到教桌上，通过量点与点之间的间距计算出重力锤的重力加速度。现有的装置结构单一，不能进行对比实验，不能全面了解重力加速度，容易出现测量误差，且重力锤直接落到课桌上，容易出现砸坏物品或砸伤的风险。因此，需要设计一种多功能、多演示方法的重力加速度演示装置，以解决现有的重力加速度演示装置结构单一、演示方法单一以及不能回收物体的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种重力加速度演示装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种重力加速度演示装置，包括频闪照相机构、打点计时机构、滴水测量机构和底座，所述频闪照相机构设有支架一、频闪相机、重力球、刻度尺一，频闪相机拍摄重力球自由下落的过程并形成图像打印出来，利用相等时间间隔的位移差计算重力球的重力加速度；
所述打点计时机构设有支架二、打点计时器、纸带、重力锤，重力锤固定在纸带下端，打点计时器在通过纸带上进行相同频率的打点，利用相等时间间隔的位移差计算重力锤的重力加速度；
所述滴水测量机构设有支架三、水箱、水管、水龙头、接水盘、重力传感器、计时器，重力传感器连接计时器，水龙头的水滴落到接水盘上时通过重力传感器触发计时器开始计时，水龙头的前一水滴落到接水盘上同时后一水滴从水龙头滴落，利用同等高度计时计算水滴的重力加速度；
所述支架一、支架二和支架三的底部均固定在底座上。
具体的是，所述频闪照相机构设有上部的重力球释放区、中部的频闪相机安装区和下部的重力球回收区，支架一后部固定有黑背板，黑背板上设有竖向的刻度尺一。
具体的是，所述重力球释放区对称设有支撑臂，支撑臂采用C字型，支撑臂的下端安装有重力球夹，用于夹住重力球，支撑臂的拐角处通过转轴转动连接在支架一上，支架一的顶部安装触发开关，触发开关连接频闪相机，触发开关的两侧且在支架一上安装复位弹簧，复位弹簧顶部接触支撑臂，用于顶住支撑臂使重力球夹夹住重力球，按下两个支撑臂上部时重力球自由下落，同时支撑臂按下触发开关控制频闪相机开始拍照，松开支撑臂后复位弹簧将支撑臂顶起复位。
具体的是，所述频闪相机安装区设有相机固定架，相机固定架对称安装在支架一内侧，相机固定架的另一端通过铰轴连接相机伸缩架，相机伸缩架的另一端通过轴承连接频闪相机，用于调节频闪相机的上下左右角度以及与黑背板的距离，频闪相机采用一次成像相机，用于直接打印出拍摄图像。
具体的是，所述重力球回收区设有多个减震弹簧，减震弹簧底部固定在底座上，减震弹簧的顶部固定在接球海绵垫上，接球海绵垫上部设有漏斗型的接球凹槽，接球凹槽的底部设有定位磁铁，用于吸附定位重力球。
具体的是，所述打点计时机构的支架二底部固定在底座上，支架二的上部安装有打点计时器，打点计时器的一旁且在支架二上安装有纸带盒，用于放置纸带，支架二的底部设有与频闪照相机构底部相同的重力锤回收装置，用于回收定位重力锤。
具体的是，所述滴水测量机构的支架三底部固定在底座上，底座内设有回水通道，回水通道连通水箱和接水桶，水箱安装在支架三一侧的底座上，接水桶安装在支架三内，接水桶内安装有接水盘，接水盘中部安装重力传感器，重力传感器电性连接计时器，计时器安装在支架三和支架二之间，水桶内安装水管，水管中部设有水泵，水管的顶部安装有水龙头，水龙头的出水口位于重力传感器的正上方，用于水龙头中的水滴到接水盘的重力传感器上。
具体的是，所述水管上还设有电控阀，用于调节开度控制水龙头的滴水速度。
具体的是，所述支架三内安装有刻度尺二，用于计算水滴滴到接水盘的高度。
具体的是，所述底座上部边缘处设有刻度尺三。
本发明具有以下有益效果：
本发明设计的重力加速度演示装置集成频闪照相法、打点计时器法及滴水法，一个装置三种测量重力加速度的方法，演示功能更全面，让学生更好、更生动形象的了解重力加速度，提高学生的参与度及动手能力；设计的频闪照相机构有重力球释放区和重力球回收区，使重力球的下落更加稳定安全，测试更加准确；设计的打点计时机构有重力锤回收装置，使重力锤的下落更加稳定安全；设计的滴水法测量重力加速度是最起始和有代表性的测量方法，通过重力传感器和计时器进行电子计时计数，测量更加精准；本装置结构简单紧凑，演示生动形象，测量准确。
附图说明
图1是重力加速度演示装置的结构示意图。
图2是频闪照相法拍摄频闪照片的结构示意图。
图3是打点计时器法纸带的结构示意图。
图中：1-频闪照相机构；1.1-支架一，1.2-重力球，1.3-重力球夹，1.4-支撑臂，1.5-转轴，1.6-复位弹簧，1.7-触发开关，1.8-黑背板，1.9-刻度尺一，1.10-频闪相机，1.11-相机伸缩架，1.12-相机固定架，1.13-接球海绵垫，1.14-接球凹槽，1.15-减震弹簧，1.16-定位磁铁；
2-打点计时机构；2.1-支架二，2.2-打点计时器，2.3-纸带盒，2.4-纸带，2.5-重力锤；
3-滴水测量机构；3.1-支架三，3.2-计时器，3.3-水管，3.4-水龙头，3.5-水泵，3.6-电控阀，3.7-水箱，3.8-接水桶，3.9-接水盘，3.10-重力传感器，3.11-刻度尺二，3.12-回水通道；
4-底座。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地进一步详细的说明。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。
如图1所示，一种重力加速度演示装置，包括底座4以及安装在底座4上的频闪照相机构1、打点计时机构2和滴水测量机构3，支架一1.1、支架二2.1和支架三3.1的底部均固定在底座4上。底座4上部边缘处设有刻度尺三，用于测量纸带2.4或其他待测物体的长度。
1.频闪照片测量法
频闪照相机构1设有支架一1.1、频闪相机1.10、重力球1.2、刻度尺一1.9，频闪相机1.10拍摄重力球1.2自由下落的过程并形成图像打印出来，利用相等时间间隔的位移差计算重力球1.2的重力加速度。
频闪照相机构1设有上部的重力球释放区、中部的频闪相机安装区和下部的重力球回收区，支架一1.1后部固定有黑背板1.8，黑背板1.8上设有竖向的刻度尺一1.9，黑背板1.8使频闪相机拍出更清楚的重力球1.2和刻度尺一1.9的图像。
重力球释放区对称设有支撑臂1.4，支撑臂1.4采用C字型，支撑臂1.4的下端安装有重力球夹1.3，用于夹住重力球1.2，支撑臂1.4的拐角处通过转轴1.5转动连接在支架一1.1上，支架一1.1的顶部安装触发开关1.7，触发开关1.7连接频闪相机1.10，触发开关1.7的两侧且在支架一1.1上安装复位弹簧1.6，复位弹簧1.6顶部接触支撑臂1.4，用于顶住支撑臂1.4使重力球夹1.3夹住重力球1.2，按下两个支撑臂1.4上部时重力球1.2自由下落，同时支撑臂1.4按下触发开关1.7控制频闪相机1.10开始拍照，松开支撑臂1.2后复位弹簧1.6将支撑臂1.4顶起复位。频闪相机安装区设有相机固定架1.12，相机固定架1.12对称安装在支架一1.1内侧，相机固定架1.12的另一端通过铰轴连接相机伸缩架1.11，相机伸缩架1.11的另一端通过轴承连接频闪相机1.10，用于调节频闪相机1.10的上下左右角度以及与黑背板1.8的距离，频闪相机1.10采用一次成像相机，用于拍摄后直接打印出拍摄图像。重力球回收区设有多个减震弹簧1.15，减震弹簧1.15底部固定在底座4上，减震弹簧1.15的顶部固定在接球海绵垫1.13上，接球海绵垫1.13上部设有漏斗型的接球凹槽1.14，接球凹槽1.14的底部设有定位磁铁1.16，用于吸附定位重力球1.2。
测量方法：
1)通过相机伸缩架1.11与相机固定架1.12、频闪相机1.10的连接关系，调节频闪相机1.10的角度；
2)按下支撑臂1.4使重力球1.2自由下落，且同时触发开关1.7控制频闪相机1.10拍摄，频闪相机1.10的频闪间隔时间为1/60s，拍摄完成后自动打印图片，如图2所示；
3)读取重力球1.2下落过程的相对刻度尺一1.9的读数：y0＝1.30cm，y1＝2.10cm，y2＝3.17cm，y3＝4.51cm，y4＝6.12cm；
4)通过公式ΔS＝gt2，计算重力加速度：
求差：s1＝y1-y0＝0.80cm，s2＝y2-y1＝1.07cm，s3＝y3-y2＝1.34cm，s4＝y4-y3＝1.61cm，
ΔS＝s2-s1＝s3-s2＝s4-s3＝0.27cm，时间t＝1/60s，
计算重力加速度
2.打点计时器测量法
打点计时机构2设有支架二2.1、打点计时器2.2、纸带2.4、重力锤2.5，重力锤2.5固定在纸带2.4下端，打点计时器2.2在通过纸带2.4上进行相同频率的打点，利用相等时间间隔的位移差计算重力锤2.5的重力加速度。
打点计时机构2的支架二2.1底部固定在底座4上，支架二2.1的上部安装有打点计时器2.2，打点计时器2.2的一旁且在支架二2.1上安装有纸带盒2.3，用于放置纸带2.4，支架二2.1的底部设有与频闪照相机构1底部相同的重力锤回收装置，用于回收定位重力锤2.5。
测量方法：
1)将纸带2.4从纸带盒2.3中抽出并截断，将纸带2.4底部裁齐，并固定在重力锤2.5上，纸带2.4上部穿过打点计时器2.2，打点计时器2.2采用50Hz的频率；
2)松开纸带2.4，打点计时器2.2在纸带2.4上每隔1/50s打上一个点，并在底座4上的刻度尺三上测量间距，如图3所示；
3)通过公式ΔS＝gt2，计算重力加速度：测量间距为：s1＝2.84cm，s2＝3.26cm，s3＝3.65cm，s4＝4.04cm，s5＝4.42cm，s6＝4.81cm，s7＝5.22cm；时间t＝1/50s＝0.02s；
计算重力加速度
3.滴水测量法
滴水测量机构3设有支架三3.1、水箱3.7、水管3.3、水龙头3.4、接水盘3.9、重力传感器3.10、计时器3.2，重力传感器3.10连接计时器3.2，水龙头3.4的水滴落到接水盘3.9上时通过重力传感器3.10触发计时器3.2开始计时，水龙头3.4的前一水滴落到接水盘3.9上同时后一水滴从水龙头3.4滴落，利用同等高度计时计算水滴的重力加速度。
滴水测量机构3的支架三3.1底部固定在底座4上，底座4内设有回水通道3.12，回水通道3.12连通水箱3.7和接水桶3.8，水箱3.7安装在支架三3.1一侧的底座4上，接水桶3.8安装在支架三3.1内，接水桶3.8内安装有接水盘3.9，接水盘3.9中部安装重力传感器3.10，重力传感器3.10电性连接计时器3.2，计时器3.2安装在支架三3.1和支架二2.1之间，水桶3.7内安装水管3.3，水管3.3中部设有水泵3.5，水管3.3的顶部安装有水龙头3.4，水管3.3上还设有电控阀3.6，用于调节开度控制水龙头3.4的滴水速度。水龙头3.4的出水口位于重力传感器3.10的正上方，用于水龙头3.4中的水滴到接水盘3.9的重力传感器3.10上，重力传感器3.10没感应一次水滴在计时器3.2上显示计数加1，并在计时器3.2上设定计时的次数，到了设定次数，计时器停止计数和计时，并显示所计数字和时间。支架三3.1内安装有刻度尺二3.11，用于计算水滴滴到接水盘3.9的高度。
测量方法：
1)想水箱3.7中加水，然后打开水泵3.5，调节电控阀3.6，使一滴水滴到接水盘3.9上时，下一滴水正好从水龙头3.4滴落；
2)通过刻度尺二3.11测量水滴到接水盘3.9的高度h，设定计时器3.2的记录的水滴数n，并统计第一滴水到第n滴水的时间t总，
计算每一滴水的时间
3)根据公式
计算水滴的重力加速度为：
本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (10)
1.一种重力加速度演示装置，其特征在于，包括频闪照相机构、打点计时机构、滴水测量机构和底座，所述频闪照相机构设有支架一、频闪相机、重力球、刻度尺一，频闪相机拍摄重力球自由下落的过程并形成图像打印出来，利用相等时间间隔的位移差计算重力球的重力加速度；
所述打点计时机构设有支架二、打点计时器、纸带、重力锤，重力锤固定在纸带下端，打点计时器在通过纸带上进行相同频率的打点，利用相等时间间隔的位移差计算重力锤的重力加速度；
所述滴水测量机构设有支架三、水箱、水管、水龙头、接水盘、重力传感器、计时器，重力传感器连接计时器，水龙头的水滴落到接水盘上时通过重力传感器触发计时器开始计时，水龙头的前一水滴落到接水盘上同时后一水滴从水龙头滴落，利用同等高度计时计算水滴的重力加速度；
所述支架一、支架二和支架三的底部均固定在底座上。
2.根据权利要求1所述的重力加速度演示装置，其特征在于，所述频闪照相机构设有上部的重力球释放区、中部的频闪相机安装区和下部的重力球回收区，支架一后部固定有黑背板，黑背板上设有竖向的刻度尺一。
3.根据权利要求2所述的重力加速度演示装置，其特征在于，所述重力球释放区对称设有支撑臂，支撑臂采用C字型，支撑臂的下端安装有重力球夹，用于夹住重力球，支撑臂的拐角处通过转轴转动连接在支架一上，支架一的顶部安装触发开关，触发开关连接频闪相机，触发开关的两侧且在支架一上安装复位弹簧，复位弹簧顶部接触支撑臂，用于顶住支撑臂使重力球夹夹住重力球，按下两个支撑臂上部时重力球自由下落，同时支撑臂按下触发开关控制频闪相机开始拍照，松开支撑臂后复位弹簧将支撑臂顶起复位。
4.根据权利要求2所述的重力加速度演示装置，其特征在于，所述频闪相机安装区设有相机固定架，相机固定架对称安装在支架一内侧，相机固定架的另一端通过铰轴连接相机伸缩架，相机伸缩架的另一端通过轴承连接频闪相机，用于调节频闪相机的上下左右角度以及与黑背板的距离，频闪相机采用一次成像相机，用于直接打印出拍摄图像。
5.根据权利要求2所述的重力加速度演示装置，其特征在于，所述重力球回收区设有多个减震弹簧，减震弹簧底部固定在底座上，减震弹簧的顶部固定在接球海绵垫上，接球海绵垫上部设有漏斗型的接球凹槽，接球凹槽的底部设有定位磁铁，用于吸附定位重力球。
6.根据权利要求1所述的重力加速度演示装置，其特征在于，所述打点计时机构的支架二底部固定在底座上，支架二的上部安装有打点计时器，打点计时器的一旁且在支架二上安装有纸带盒，用于放置纸带，支架二的底部设有与频闪照相机构底部相同的重力锤回收装置，用于回收定位重力锤。
7.根据权利要求1所述的重力加速度演示装置，其特征在于，所述滴水测量机构的支架三底部固定在底座上，底座内设有回水通道，回水通道连通水箱和接水桶，水箱安装在支架三一侧的底座上，接水桶安装在支架三内，接水桶内安装有接水盘，接水盘中部安装重力传感器，重力传感器电性连接计时器，计时器安装在支架三和支架二之间，水桶内安装水管，水管中部设有水泵，水管的顶部安装有水龙头，水龙头的出水口位于重力传感器的正上方，用于水龙头中的水滴到接水盘的重力传感器上。
8.根据权利要求7所述的重力加速度演示装置，其特征在于，所述水管上还设有电控阀，用于调节开度控制水龙头的滴水速度。
9.根据权利要求7所述的重力加速度演示装置，其特征在于，所述支架三内安装有刻度尺二，用于计算水滴滴到接水盘的高度。
10.根据权利要求1所述的重力加速度演示装置，其特征在于，所述底座上部边缘处设有刻度尺三。
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