CN201134177Y - 一种平抛运动实验仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种涉及力学中的平抛运动实验仪。一种平抛运动实验仪，在直面板(8)的左右两侧垂直设立左立柱(7)和右立柱(12)，在两立柱上分别套置可上下移动的左滑块(6)和右滑块(17)，并水平支撑水平电阻芯棒(18)以及与水平电阻芯棒(18)平行且位于其上方的长弹簧(15)，与左立柱(7)套置于左滑块(6)内的垂直电阻芯棒(4)和左导柱(3)，相互接触电连接，左导柱(3)连接垂直电压传感器的一端，垂直电阻芯棒(4)的上端与左立柱(7)电连接，垂直电阻芯棒(4)的下端连接电源；在直面板(8)的左上方固定一斜向斜轨(10)及电磁铁(9)，钢球(14)被吸附在电磁铁(9)上，在抛射口安装光电门传感器(11)。本实用新型不但能快速地正确直接描绘出平抛运动的轨迹，还能证明平抛运动是合成运动的结果。
Description
(一)技术领域
本实用新型是一种物理实验演示设备属于教学教具类的仪器。特别涉及力学中的平抛运动实验仪。
(二)背景技术
平抛运动是中学物理的重要教学内容。利用平抛运动实验仪来观察和探究平抛运动的现象和规律，不失为一种简单实用的实验方法。随着教学改革的不断深化，尤其是要求实现教学仪器的信息化、数字化和智能化的态势。如何将平抛运动的轨迹图象通过数字化实验系统在计算机上正确直观且迅速地显示出来，已成为教学演示和学生实验的重要内容。
目前教学上所采用的平抛运动实验仪主流产品，主要是利用一钢球从安装在面板左上方的斜轨上抛出后落下，来观察它的运动状态。具体构成主要有以下几种方式：
一是通过在实验仪面板面上贴一张复写纸下面衬以白纸，当钢球下落在底板面上时手压钢球，使纸上留下一印记，然后移动底板高度反复做几次实验，通过纸上的这些印记，描绘出平抛运动的轨迹。
二是在钢球抛出口位置上加一个光电门传感器和在底板处加一个接触传感器。用光电门传感器测出钢球平抛运动的初速度，在钢球的落点处通过接触式传感器测得钢球的运行时间，再用刻度尺量出落点处水平和竖直方向上的位移。从而证明平抛运动是由自由落体运动和匀速直线运动的结果。
三是用钢球做平抛运动时，用频闪摄影机拍出摄影照片。可以看出钢球的运动轨迹等。
上列这些仪器以及除此以外在此基础上变型的多种平抛运动实验仪，均存在一些影响实验效果的缺陷，且难以在短时间内自动描绘出平抛运动的运行轨迹，更难以正确地验证平抛运动的公式：
实验仪一，仅能用人工方法粗略地描绘出平抛运动的抛物线轨迹，难以说明其平抛运动是竖直方向上的自由落体运动和水平方向上的匀速直线运动合成结果。
实验仪二，采用了光电门和接触式传感器，可以测得钢球初速度和抛落的时间，从而可输入计算机，绘出平抛运动的图象。但它采用的接触式传感器需要人工方式凑准钢球落点而不断移动，难以正确定位，水平和竖直方向的位移也需要通过标尺量得，影响实验误差且费时费力。
实验仪三，用频闪摄像机拍出钢球下落过程，不仅能从照片上看出钢球平抛运动的抛物线轨迹，而且能利用另一个同步做自由落体运动钢球的机构，使其与平抛运动钢球同时释放，从而也能从照片上看出两者合成的结果。但这类轨迹图线需要做后期处理，只适宜于教师作定性的演示实验，难以做定量的分析，更不便作为学生实验使用。
(三)发明内容
本发明的目的是拟提供一种定量分析的实验数据，既有直观图象的定性描述，且实时呈现、操作简便、节约课时，充分体现出数字化和智能化优势的实验仪。
本实用新型的发明目的可以通过以下技术方案来实现：
一种平抛运动实验仪，其特征在于，在呈水平的底座21上垂直设立直面板8，在直面板8的左右两侧垂直设立左立柱7和右立柱12，在两立柱上分别套置可上下移动的左滑块6和右滑块17，并由左、右定位件5、16作旋紧固定，左立柱7连接电源负/正极，右立柱12连接电源正/负极；
由滑块6和17水平支撑水平电阻芯棒18以及与水平电阻芯棒18平行且位于其上方的长弹簧15，水平电阻芯棒18的左右两端分别与左右立柱7和12接触电连接；
与左立柱7平行设置，且同套置于左滑块6内的垂直电阻芯棒4和左导柱3，相互接触电连接，左导柱3连接垂直电压传感器的一端，垂直电阻芯棒4的上端与左立柱7电连接，垂直电阻芯棒4的下端连接电源正/负极；
与右立柱12平行设置，同套置于右滑块17内的右导柱13与长弹簧15的右端接触电连接，且连接水平电压传感器的一端；
垂直电压传感器和水平电压传感器的另一端均连接电源负/正极；
在直面板8的左上方固定一斜向斜轨10，斜轨10上方装有电磁铁9，钢球14被吸附在电磁铁9上，在斜轨10的抛射口安装呈门字形的光电门传感器11。
进一步，所述的接触电连接为，相互间由微型压簧或簧片压迫连接。采用此结构，当滑块在立柱或导柱上上下移动时，能保证相应的电阻芯棒、导柱、立柱、长弹簧之间的接触连接。
进一步，所述的电压传感器连接、电源连接由设置在底座21上的接线柱19转连接。据此，接线清晰规范，操作使用方便。
进一步，所述的左、右定位件5、17为螺钉，将滑块固定在立柱上。据此，滑块固定结构简单，固定方式可靠。
进一步，所述的左、右定位件5、17为弹性撑块。由弹簧或簧片弹性件支撑在滑块槽孔与立柱之间，移动时，由实验者手工克服弹性力可上下移动，到达需要位置，释放压迫力，弹性件恢复弹力将滑块支撑固定在立柱的需要位置上，此结构使用便捷。
进一步，所述的电磁铁9由电磁铁开关20控制。
进一步，在所述底座21上设置水准仪1及底座21四角的高度调节螺钉2。保持装置的水平状，实验结果更趋正确和准确。
平抛运动实验仪包括实验直立面板、底座、钢球以及作平抛运动的斜轨组件、垂直可移的托架组件、光电门传感器和电压传感器组成。在平板的左上方固定一斜向斜轨，斜轨上方装有电磁铁，在斜轨的抛射口安装光电门传感器。直面板两侧由固定在底板上两侧的圆柱型立杆支撑。密绕有电阻线的水平电阻芯棒，以及水平电阻芯棒上方的长弹簧各自插装在两侧的支架中的滑块上，水平电阻芯棒可随滑块上下移动，旋紧滑块上的滚花螺钉可予以紧固并使之与立杆相接触。在面板左侧还装有垂直密绕有电阻线的垂直电阻芯棒。水平电阻芯棒当滑块上的左右紧固螺钉旋紧时分别与立柱接触；垂直芯棒上的电阻线也分别与立柱连接，并连接到电源。当水平电阻棒与长弹簧上下移动时，长弹簧一端能始终与水平电压输出右导柱接触，而在滑块相应的任意高度处，垂直电阻芯棒与电压输出左导柱接触。左右立柱和输出导柱分别与底板上的四个接线柱连接，接线柱外接电源和两个电压传感器，用于测量钢球的二维数据量。电源同时为电磁铁供电。
所述的光电门传感器，用来测量钢球向外抛出时的初速度。
所述的长弹簧和水平电阻芯棒，起滑动电阻器的作用：当钢球下落在托板时，使钢球落点处的弹簧与电阻线通过球体构成通路，通过电压传感器读出变阻器(按电位器接法)的分电压值。由于电压值与钢球落点的距离呈线形关系，通过计算机即可把电压量转换为落点水平位移量。根据同样的机理，根据垂直电阻芯棒高度的不同，利用垂直向变阻器同样可得到钢球落点垂直高度量。
所述的两电压传感器，通过计算机把电压模拟量同时转换为长度数字量。
所述的斜轨、立杆、直面板、底座等组件均为现有技术。其功效主要指平抛运动的钢球在落点处的二维距离数据能通过智能化方案来采集并转换成数字信息。
通过本实用新型技术方案设计而成的平抛运动实验仪，不但能快速地正确直接描绘出平抛运动的轨迹，还能通过数据证明平抛运动是在水平方向上做匀速直线运动，在竖直方向上做自由落体运动合成的结果。
运动轨迹的描述方法：当钢球做平抛运动时利用两电压传感器测得的电压值分别将其转换成竖直高度(Y轴)和水平位移(X轴)值。利用托架上下移动改变钢球下落高度获得一组数据，可以在计算机上拟合出平抛运动的轨迹。
运动合成的证明方法：当钢球通过光电门时，计算机在获得其抛出瞬间的初速度v0的同时又发出一脉冲，钢球落下至托板时，在计算机求得水平距的同时也发出一脉冲信号，便可以记录下钢球的运行时间t。根据平抛运动的位移公式，设下落高度为h，则h＝(1/2)gt2，由此证明竖直方向做自由落体运动，设水平位移为s，则s＝v0t，由此证明水平方向做匀速直线运动。
本实用新型装置具有如下优点和有益效果，操作方便，演示直观，能正确、准确实验验证小球平抛运动的规律，达到加深和加强对学生的理解和掌握的效果。顺应时代发展，完全符合课程改革中实验的信息化和智能化的指导思想。仪器具有体积小巧，操作方便，功能完备，效果明显的特点，最适宜于配合学校用作教师课堂演示和学生实时实验之用的数字化实验系统，达到了传统实验无法达到的预期效果。
(四)附图说明
图1为本实用新型平抛运动实验仪的结构示意图；
图2为本实用新型平抛运动实验仪的立体结构示意图；
图3为本实用新型平抛运动实验仪的电路简图。
图中：1水准仪，2调节螺钉，3左导柱，4垂直电阻芯棒，5左螺钉，6左滑块，7左立柱，8直面板，9电磁铁，10斜轨，11光电门传感器，12右立柱，13右导柱，14钢球，15长弹簧，16右螺钉，17右滑块，18水平电阻芯棒，19接线柱，20电磁铁开关，21底座
(五)具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作详细说明。
本平抛运动实验仪在直面板8左上部安装一光电门传感器11和一斜轨10，在底座21左右两侧分别安装圆柱型立柱7、12支承直面板8，准备作平抛运动的斜轨10的上方安装有电磁铁9。开始实验时，接通电源将钢球吸住作为球体起始点的定位，当底座21右下角的电磁铁开关20拨到“放球”位置时，钢球14即可沿斜轨10下滑并以一定的初速度向外抛出。两圆柱型立柱7、12又套装上左、右滑块6和17，左、右滑块6和17承载了水平向绕有电阻丝的水平电阻芯棒18，以及其上相互之间可调间距的长弹簧15，当钢球14抛落时，恰被接球长弹簧15所截获，并下落到水平电阻芯棒18而正确定位接触。水平电阻芯棒18上的螺线电阻丝两端又分别插入到左右立柱7、12中接通电源。
与左立柱7平行设置，且同套置于左滑块6内的左导柱3和垂直电阻芯棒4相互接触电连接，左导柱3连接垂直电压传感器的一端，垂直电阻芯棒4的上端与左立柱7电连接，垂直电阻芯棒4的下端连接电源正/负极；
上述结构相当于建构成了两种另类的滑动变阻器，当水平电阻芯棒18移动到某一位置并由左右紧固螺钉锁定时，外加电源通过两立柱便将电源电压加到水平电阻芯棒18的两端(左负右正)，而钢球在落点处正相当于滑线变阻器的动臂，长弹簧15能通过钢球14与相应在该处的电阻丝相接触。在水平输出端的电压传感器便可获得分电压值，起到电位器的作用。再通过定标变换可即时转换成水平X方向的位移值。与此类同，在直面板8左侧的与垂直Y方向电压输出导柱旁还安装有缠绕电阻丝的垂直电阻芯棒4，该垂直向电阻丝两端与滑块上的水平电阻芯棒18相并联，这一组件也类似构成了垂直向的滑动变阻器，当水平电阻芯棒18上下移动时，垂直向电压传感器17亦可得到相应的分电压值，也将其转换成钢球抛落时的Y向高度。
实施例：将本平抛实验仪与数字化实验系统中的光电门传感器11、两电压传感器相连，分别接到数据采集器，其输出接计算机。接通直流电源进入平抛运动实验界面，利用水准仪1调节底座21的四角螺钉2将仪器调至水平位。把钢球14吸附在电磁铁9上，点击“数据采集”，调零。
开始实验时，关断电磁铁开关20，钢球14便自动释放做平抛运动，待钢球14下落到长弹簧15所截获，并下落到水平电阻芯棒18而正确定位接触后，点击“记录数据”，计算机将自动记下钢球做平抛运动的高度h、水平位移s、初速度v0和时间t值。改变水平电阻芯棒18的高度，重复上述实验5-8次，便可得到各组数据点，点击“图像拟合”，可即刻呈现出平抛运动的轨迹。移动电磁铁9位置还可以改变钢球14抛出时的初速度，重复以上实验可以得到多组曲线，通过数据比较，得出平抛运动是自由落体运动和匀速直线运动合成的结论，也可通过钢球14飞行时间t和高度h反过来求得当地的重力加速度g值。
Claims (7)
1.一种平抛运动实验仪，其特征在于，在呈水平的底座(21)上垂直设立直面板(8)，在直面板(8)的左右两侧垂直设立左立柱(7)和右立柱(12)，在两立柱上分别套置可上下移动的左滑块(6)和右滑块(17)，并由左、右定位件(5)、(17)作固定，左立柱(7)连接电源负/正极，右立柱(12)连接电源正/负极；
由滑块(6)和(17)水平支撑水平电阻芯棒(18)以及与水平电阻芯棒(18)平行且位于其上方的长弹簧(15)，水平电阻芯棒(18)的左右两端分别与左右立柱(7)和(12)接触电连接；
与左立柱(7)平行设置，且同套置于左滑块(6)内的左导柱(3)和导柱旁的垂直电阻芯棒(4)相互接触电连接，左导柱(3)连接垂直电压传感器的一端，垂直电阻芯棒(4)的上端与左立柱(7)电连接，垂直电阻芯棒(4)的下端连接电源正/负极；
与右立柱(12)平行设置，同套置于右滑块(17)内的右导柱(13)与长弹簧(15)的右端接触电连接，且连接水平电压传感器的一端；
垂直电压传感器和水平电压传感器的另一端均连接电源负/正极；
在直面板(8)的左上方固定一斜向斜轨(10)，斜轨(10)上方装有电磁铁(9)，钢球(14)被吸附在电磁铁(9)上，在斜轨(10)的抛射口安装呈门字形的光电门传感器(11)。
2.根据权利要求1所述平抛运动实验仪，其特征在于，所述的接触电连接为，相互间由微型压簧或簧片压迫连接。
3.根据权利要求1所述平抛运动实验仪，其特征在于，所述的电压传感器连接、电源连接由设置在底座(21)上的接线柱(19)转连接。
4.根据权利要求1所述平抛运动实验仪，其特征在于，所述的左、右定位件(5)、(17)为螺钉，将滑块固定在立柱上。
5.根据权利要求1所述平抛运动实验仪，其特征在于，所述的左、右定位件(5)、(17)为弹性撑块。
6.根据权利要求1所述平抛运动实验仪，其特征在于，所述的电磁铁(4)由电磁铁开关(20)控制。
7.根据权利要求1所述平抛运动实验仪，其特征在于，根据权利要求1所述平抛运动实验仪，其特征在于，在所述底座(21)上设置水准仪(1)及底座(21)四角的高度调节螺钉(2)。
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