CN206451428U - 一种摩擦力实验器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种摩擦力实验器，属于教学实验器材技术领域，包括表面设有摩擦面的轨道、放置于轨道上的小车，其特征在于：还包括设于轨道端部的电机，电机通过牵引线牵拉小车；小车内部设置相互电性连接的电池、霍尔传感器与力传感器，轨道内嵌有至少两个磁铁，磁铁沿小车运动轨迹间隔分布于轨道中段。采用该装置可以准确测量出摩擦力的数值，便于研究摩擦力与小车质量、接触面粗糙程度的关系，不仅测量精确度高，而且器材构造简单，携带方便。

Description

一种摩擦力实验器

技术领域

本发明涉及一种摩擦力实验器，属于教学实验器材技术领域。

背景技术

摩擦力是指当一个物体在另一个物体的表面上相对运动(或有相对运动的趋势)时，受到的阻碍相对运动(或阻碍相对运动趋势)的力。影响摩擦力因素较多，如：接触面上所受的压力、接触面的粗糙度、物体的运动方向和接触面大小以及接触面材料组成等有关。为了让学生深入理解影响摩擦力的因素，摩擦力研究演示装置应运而生。从现有摩擦力实验装置来看，主要采用弹簧秤拉动一个物块在一个平板上做匀速运动，通过更换不同粗糙程度的平板，测出该物块在相同速度下所需要的拉力，从而得出影响摩擦力的因素。从现有的实验装置看来，主要存在以下几个问题：①测量不够精确，由于摩擦力较小而弹簧秤精度较低直接影响测量。②人为因素较多，如：测量过程中应该保持物体的运动为匀速，而无论用人力或砝码、滑轮拉动很难做到匀速运动。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述问题，提供一种实验器，可以准确测量出摩擦力的数值，便于研究摩擦力与小车质量、接触面粗糙程度的关系，不仅测量精确度高，而且器材构造简单，携带方便。

为了达到以上目的，本发明的技术方案如下：还包括设于轨道端部的电机，所述电机通过牵引线牵拉小车；所述小车内部设置相互电性连接的电池、霍尔传感器与力传感器，所述轨道内嵌有至少两个磁铁，所述磁铁沿小车运动轨迹间隔分布于轨道中段。

轨道端部的电机通过牵引线拉动小车运动，可以精确控制小车的运动状态，相比与人力手动拉动小车使其匀速运动而言，可操作性更强，并且测量精确度更高。小车内部的力传感器、霍尔传感器与轨道内镶嵌的磁铁配合使用，用以测量一定位置处小车所受到的拉力，进而推算出小车所受摩擦力。当小车运动至磁铁位置处时，霍尔传感器检测到强磁性，力传感器则测定该时刻的拉力。磁铁分布于轨道中段，由于轨道中段范围内小车一般处于匀速运动状态，则该范围内取点采集数据取值比较准确。由于多个采集点有助于降低测量误差，所以磁铁数量至少两个。

进一步地，所述轨道长度为500mm，所述磁铁设置于轨道中段距轨道中轴长度100mm的距离之内。电机驱动小车，则小车启动时，需要经过一定的缓冲距离调整为匀速运动，经试验，当小车启动后，运动150mm的缓冲距离之后已经完成从加速到匀速过程，而后进入到剩余350mm的匀速阶段，此时的摩擦力数值较为稳定，磁铁设置在轨道中段200mm的范围之内，则可多处取点测量，取平均值测算拉力，降低误差。

进一步地，所述轨道端部还设有与电机电性连接的用于检测小车位置的距离传感器，所述小车上与距离传感器对应的位置处设有反光片。距离传感器配合小车上的反光片可以探测小车的位置，当小车进入一定范围内，则距离传感器采集到信号，电机即可停止运转，小车随即停止运动。

进一步地，所述小车顶部设有配重槽，所述配重槽内放置配重块。配重块为了研究小车质量,即接触面上所受压力与摩擦力的关系，可根据实验需要选取不同重量的配重块，而配重块放在配重槽内则可防止配重块滑落。

进一步地，所述轨道表面设有可拆卸的摩擦面。采用该设计便于更换不同摩擦系数的摩擦面，探究摩擦面粗糙程度与摩擦力大小的关系。

进一步地，所述小车内部设有用于向计算机传送数据的无线通信装置。该无线通信装置可以把采集到的数据传送至计算机，从而得到小车拉力数值。无线的传输模式使得本实验器结构简单轻巧，无需杂乱的数据线。

本发明的优点如下：1.实验器材简单轻巧，无杂乱的数据线，携带方便；使用时，无需花费过多时间组装；便于课堂演示；2.该实验器材采用电机控制小车匀速运动，测量精确度高，并且配备距离传感器，可自动控制电机停转，从而制动小车；3.小车内部的霍尔传感器与轨道上固定的多个磁铁相互感应配合，测定特定位置处小车所受拉力，并且一次运动过程可得多组数据，误差小、测量精度高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为实施例一结构示意图；

图2为实施例一小车结构示意图；

图3为实施例一轨道结构示意图。

图中：1小车，2轨道，3摩擦面，4牵引线，5距离传感器，6霍尔传感器，7圆柱磁铁，8配重块，9电机，10力传感器，11反光片，12PCB板，13电池。

具体实施方式

实施例一

为了更好地理解本发明，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。如图1 所示，该实验器包括长板状的直线轨道2，轨道上表面可拆卸地固定一层摩擦面3，使用时可更换不同种类的摩擦面，用以研究摩擦面粗糙程度与小车1所受摩擦力的关系。小车1放置在摩擦面3上并且在其上沿其轴线滑动。如图2所示，小车1内部设有通过PCB板12相互电性连接的电池13、力传感器10与一对霍尔传感器6，还设有蓝牙。霍尔传感器用于感应轨道内的圆柱磁铁7，力传感器用于测定小车所受拉力。小车外部还设有反光片11.小车1前端固定牵引线4，牵引线4处于受力状态时，与轨道2的轴线平行，这样保证小车1在轨道上始终能沿直线方向运动，保持一种比较标准的匀速直线运动状态。轨道2端部设有相互电性连接电机9、距离传感器5，电机9用于牵拉牵引线4控制小车运动，距离传感器5配合小车外部的反光片11监测小车运动位置，当小车接近终点时，电机停转，小车停止。如图3所示，轨道2中段内镶嵌两个圆柱磁铁7，二者相距L1＝200mm，并且二者的连线与轨道轴线平行。轨道长度500mm，经试验，小车运动的前一段距离L2＝150mm范围内，小车可以由加速运动转换成匀速运动，后段距离L3＝350mm内，则小车处于匀速直线运动状态。小车内部的霍尔传感器可感应轨道上的圆柱磁铁位置，当小车1运动到圆柱磁铁7处时，则霍尔传感器6与力传感器10配合，采集小车当下所受拉力并且通过蓝牙传送给计算机，计算机将实验数据显示出来，供课堂演示。小车一次运动过程可经过两个圆柱磁铁7采集到两组摩擦力数据，计算机将这两组数据取平均值，以减少实验误差。小车顶部还可以放置配重块8，用于研究小车质量与摩擦力的关系，可根据实验需要选取不同重量的配重块，而配重块8放在配重槽内则可防止配重块滑落。

演示时，首先打开电机，电机运转通过牵引线牵拉小车运动，控制小车1作匀速直线运动，小车经过轨道2上的两处圆柱磁铁7后，测得两组数据通过蓝牙传送给计算机，计算机取两数据的平均值。当小车运动至接近终点处时，距离传感器5感应到小车的靠近则控制电机停转，小车1随即停止。还可更换不同的摩擦面3以及放置不同重量的配重块8，用于研究影响摩擦力大小的因素。

下列表格(表1)为采用该小车演示运动规律的实验数据：

表1

条件	第一次摩擦力值(N)	第二次摩擦力值(N)	第三次摩擦力值(N)	平均值(N)
					配重块1	0.38	0.37	0.37	0.37
配重块2	0.51	0.50	0.49	0.50
					摩擦面1	0.72	0.72	0.71	0.72
摩擦面2	1.05	1.02	0.99	1.02

如上述实验结果表格，由表1可以看出：在其他条件相同的情况下，小车配重越大，摩擦面越粗糙，其所受摩擦力越大。

实施例二

轨道中段L1长度范围内以50mm间距均匀间隔分布四个圆柱磁铁，则一次运动过程可测算出4组数据，进一步降低误差，提高准确度。本实施例其余部分同实施例一。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种摩擦力实验器，包括表面设有摩擦面的轨道、放置于轨道上的小车，其特征在于：还包括设于轨道端部的电机，所述电机通过牵引线牵拉小车；所述小车内部设置相互电性连接的电池、霍尔传感器与力传感器，所述轨道内嵌有至少两个磁铁，所述磁铁沿小车运动轨迹间隔分布于轨道中段。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦力实验器，其特征在于：所述轨道长度为500mm，所述磁铁设置于轨道中段距轨道中轴长度100mm的距离之内。

3.根据权利要求1所述的一种摩擦力实验器，其特征在于：所述轨道端部还设有与电机电性连接的用于检测小车位置的距离传感器，所述小车上与距离传感器对应的位置处设有反光片。

4.根据权利要求1所述的一种摩擦力实验器，其特征在于：所述小车顶部设有配重槽，所述配重槽内放置配重块。

5.根据权利要求1所述的一种摩擦力实验器，其特征在于：所述轨道表面设有可拆卸的摩擦面。

6.根据权利要求1所述的一种摩擦力实验器，其特征在于：所述小车内部设有用于向计算机传送数据的无线通信装置。