CN206619318U - 数字化斜面省力实验器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数字化斜面省力实验器，包括斜置的轨道和滑动装配在轨道上的小车，轨道较高端设有电控牵拉装置，电控牵拉装置的牵拉端通过一段绳索牵拉小车，轨道表面沿小车行进方向间隔分布有磁铁，小车上设有霍尔传感器、力传感器、无线传输设备和电池，霍尔传感器置于小车底部与轨道上的磁铁相适配，力传感器的感应端固连电控牵拉装置的绳索，霍尔传感器和力传感器分别通过无线传输设备与远端电脑通讯连接，霍尔传感器、力传感器和无线传输设备分别电连电池。本实用新型：1.器材简单轻巧，携带方便；2.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。

Description

数字化斜面省力实验器

技术领域：

本发明涉及一种数字化斜面省力实验器，属于教学实验器材技术领域。

背景技术：

斜面省力是指把一个物体放在不同倾斜角度的斜面上匀速拉动，来探究物体在斜面上的受力情况与斜面倾斜度的关系。为了让学生深入理解影响拉力大小与斜面角度的关系，斜面省力研究演示装置应运而生。从现有斜面省力实验装置来看，主要采用砝码拉动一个物块在一个平板上做匀速运动，通过更换斜面角度，测出该物块在相同拉力下小车运动的快慢。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。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，而无论用人力或法码、滑轮拉动很难做到匀速运动。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种数字化斜面省力实验器,来克服测量不够精确、人为因素较多等上述现有技术中的缺陷。

为了达到以上目的，本发明的技术方案如下：一种数字化斜面省力实验器，包括斜置的轨道和滑动装配在轨道上的小车，其特征在于：所述轨道较高端设有电控牵拉装置，所述电控牵拉装置的牵拉端通过一段绳索牵拉小车，所述轨道表面沿小车行进方向间隔分布有磁铁，所述小车上设有霍尔传感器、力传感器、无线传输设备和电池，所述霍尔传感器置于小车底部与轨道上的磁铁相适配，所述力传感器的感应端固连电控牵拉装置的绳索，所述霍尔传感器和力传感器分别通过无线传输设备与远端电脑通讯连接，所述霍尔传感器、力传感器和无线传输设备分别电连电池。

电控牵拉装置内设有电机，通过牵引线拉动小车运动，用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。磁铁数量至少两个，多个采集点有助于降低测量误差。无线传输设备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。

进一步地，斜置的轨道包括供小车在其上滑动的滑轨，滑轨的下端通过支撑板将滑轨支撑在承载面上，滑轨的上端铰接套筒，套筒套接立在承载面上的一根立柱上。轨道可通过上下移动套筒调节倾斜角度。采用该设计便于改变不同的倾斜角度，探究角度与力大小的关系。

进一步地，电控牵拉装置包括相互通讯连接的控制单元和电机，电机的旋转轴上固连有一个阶梯状的轴套，轴套固连绳索的一端。

进一步地，小车外壳是由上壳和下壳拼接而成，力传感器通过固定座固定在小车内部侧面，力传感器的感应端固连一根铜棒，铜棒伸出小车外壳外的端部固连绳索的一端，所述小车在绳索连接处的外壁上装有一个反光片，电控牵拉装置上设有与其适配的光电测距装置，光电测距装置与所述电控牵拉装置的控制单元通讯连接。距离传感器探测小车的位置，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，反光片通过螺丝固定在小车下壳伸出铜棒侧的表面，力传感器通过力传感器固定座固定在下壳中，力传感器固定座旁边是配重块和PCB板固定座，该配重块和固定座是通过螺栓相连接在小车内部的侧面上，PCB板就固定在该座上，而PCB板上有颗霍尔传感器，另一侧面是竖置电池和电源PCB板，通过螺栓与小车下壳连接，该电源PCB板上有无线蓝牙收发装置。

进一步地，轨道主要由金属制成的轨道主体，轨道主体中部沿其长度方向固定有一条木板，在木板上嵌有磁铁。

进一步地，轨道上还设有量角器。

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：

图1为：斜面省力实验器结构线条图；

图2为：小车结构示意图；

图3为：轨道结构示意图；

图中：套筒1，锁紧螺丝2，铁架台3，电控牵拉装置4，距离传感器5，牵引线6，小车7，支撑块8，轨道9，量角器10，力传感器7.1，电池7.2，霍尔传感器7.3，PCB板7.4，下壳7.5，无线蓝牙7.6，铜棒7.7，反光片7.8，木板9.1，磁铁9.2。

具体实施方式：

下面对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包 括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或 组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。 这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述 教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在 于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实 现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。 本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

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，该实验器主体部分主要是通过套筒1与铁架台3连接，套筒1底部一侧有锁紧螺丝2来让套筒1在铁架台3轴上固定，套筒1的另一侧通过铰链（可以保持轨道灵活旋转角度）与轨道连接，轨道9上端有电控牵拉装置4通过底部螺栓与轨道连接，下端是支撑块其表面光滑，电控牵拉装置4内包括相互电性连接电机、距离传感器5，电机用于牵拉牵引线6控制小车运动，距离传感器5用于监测小车运动位置，当小车接近电控牵拉装置4时，电机停转，小车停止。该实验器中长板状的直线轨道调整到一定的角度倾斜放置，小车7放置在轨道9上并且在其上沿其轴线滑动。小车前端固定牵引线6，牵引线6处于受力状态时，与轨道的轴线平行，这样保证小车在轨道上始终能沿直线方向向上运动，保持一种比较标准的匀速直线运动状态。在电控牵拉装置4上伸出一个阶梯状的轴套，它与电控牵拉装置4内部的电机通过紧定螺丝连接固定，轴套的凹槽部分系根500mm的线，线的另一端系上鳄鱼夹钩在小车正面伸出铜棒的孔上，而该铜棒是螺纹固定在小车内部的力传感器上的，由此电机就可以拉着小车往高处行进。其次轨道内部

轨道如图3所示，中段内镶嵌两个圆柱磁铁9.2，二者相距200mm，并且二者的连线与轨道轴线平行。小车内部设有电性连接的一对霍尔传感器和蓝牙，用于感应轨道上的磁铁位置，当小车运动到第一处圆柱磁铁处时，则霍尔传感器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并采集到两组拉力数据，计算机将这两组数据取平均值，以减少实验误差。轨道连接套筒，通过上下移动套筒来控制角度来探究与拉力的关系，可根据实验需要选取不同倾斜角度，而套筒通过手拧螺丝固定在铁架台的杆上可防止滑落。

小车部件是用过上壳和下壳7.5组成，而内部的部件都是固定在小车的下壳7.5。如图2所示，下壳中正面（伸出铜棒7.7的一面）是通过2颗螺丝把反光片7.8固定在该表面，内部是力传感器7.1固定座，固定在小车内部侧面，力传感器7.1通过该座相连接，力传感器固定座旁边是配重块和PCB板7.4固定座，该配重块和固定座是通过螺栓相连接在小车内部的侧面上，PCB板7.4就固定在该座上，而PCB板7.4上有颗霍尔传感器7.3，另一侧面是竖置电池7.2和电源PCB板7.4，通过螺栓与下壳7.5连接，该电源PCB板7.4上有无线蓝牙7.6。

轨道如图3所示，轨道内部是一根长500mm宽75mm厚24mm的木板9.1，放置在轨道内部，两边分别与轨道两边对齐，距离面板一面150mm位置处固定一个磁铁9.2，与该面350mm处也固定一个相同的磁铁9.2（磁铁9.2与木板9.1的固定是先在木板上打孔，然后压入磁铁），轨道两侧面分别有2个光孔，木板是通过自攻螺丝通过该光孔与外部的轨道相连接锁紧（如上图两颗磁铁位置的上下方处）。

演示时，首先调节所需的轨道倾斜角度，打开电机、则电机运转，通过牵引线牵拉小车运动，控制小车作匀速直线运动，小车经过轨道上的两处圆柱磁铁后，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。当小车运动至接近电控牵拉装置4处时，距离传感器感应到小车的靠近则控制电机停转，小车随即停止。还可改变不同的倾斜角度，用于研究影响不同角度斜面拉力大小的因素。

Claims (7)

1.一种数字化斜面省力实验器，包括斜置的轨道和滑动装配在轨道上的小车，其特征在于：所述轨道较高端设有电控牵拉装置，所述电控牵拉装置的牵拉端通过一段绳索牵拉小车，所述轨道表面沿小车行进方向间隔分布有磁铁，所述小车上设有霍尔传感器、力传感器、无线传输设备和电池，所述霍尔传感器置于小车底部与轨道上的磁铁相适配，所述力传感器的感应端固连电控牵拉装置的绳索，所述霍尔传感器和力传感器分别通过无线传输设备与远端电脑通讯连接，所述霍尔传感器、力传感器和无线传输设备分别电连电池。

2.根据权利要求1所述的数字化斜面省力实验器，其特征在于：所述斜置的轨道包括供小车在其上滑动的滑轨，所述滑轨的下端通过支撑板将滑轨支撑在承载面上，所述滑轨的上端铰接套筒，所述套筒套接立在承载面上的一根立柱上。

3.根据权利要求1所述的数字化斜面省力实验器，其特征在于：所述电控牵拉装置包括相互通讯连接的控制单元和电机，所述电机的旋转轴上固连有一个阶梯状的轴套，所述轴套固连绳索的一端。

4.根据权利要求1所述的数字化斜面省力实验器，其特征在于：小车外壳是由上壳和下壳拼接而成，力传感器通过固定座固定在小车内部侧面，所述力传感器的感应端固连一根铜棒，所述铜棒伸出小车外壳外的端部固连绳索的一端，所述小车在绳索连接处的外壁上装有一个反光片，所述电控牵拉装置上设有与其适配的光电测距装置，所述光电测距装置与所述电控牵拉装置的控制单元通讯连接。

5.根据权利要求4所述的数字化斜面省力实验器，其特征在于：反光片通过螺丝固定在小车下壳伸出铜棒侧的表面，力传感器通过力传感器固定座固定在下壳中，力传感器固定座旁边是配重块和PCB板固定座，该配重块和固定座是通过螺栓相连接在小车内部的侧面上，PCB板就固定在该座上，而PCB板上有颗霍尔传感器，另一侧面是竖置电池和电源PCB板，通过螺栓与小车下壳连接，该电源PCB板上有无线蓝牙收发装置。

6.根据权利要求1所述的数字化斜面省力实验器，其特征在于：所述轨道主要由金属制成的轨道主体，所述轨道主体中部沿其长度方向固定有一条木板，在所述木板上嵌有磁铁。

7.根据权利要求1所述的数字化斜面省力实验器，其特征在于：所述轨道上还设有量角器。