CN213815191U - 一种力学组件及力学演示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及物理教学用具技术领域，具体涉及一种力学组件及力学演示装置，力学组件包括同轴设置的第一滑轮和第二滑轮，所述第一滑轮和第二滑轮可拆卸连接，第一杆件设于所述第一滑轮上的第一凹槽内，所述第一杆件与第一滑轮边缘形成一个完整的边缘，所述第一杆件在与所述第一滑轮圆心的对应位置设有第一安装孔，第二杆件设于所述第二滑轮上的第二凹槽内，所述第二杆件与第二滑轮边缘形成完整的边缘，所述第一杆件和第二杆件对应位置均设有连接孔。本实用新型装置可供教师进行杠杆、滑轮和轮轴各自独立或其结合的力学演示，可供演示的力学原理丰富，并且使用的教具较少，可节约教师收集教具时间，演示过程直观具体，方便学生理解。

Description

一种力学组件及力学演示装置

技术领域

本实用新型涉及物理教学用具技术领域，特别是一种力学组件及力学演示装置。

背景技术

杠杆是一根在力的作用下可绕固定点转动的硬杆。滑轮是一个周边有槽，能够绕轴转动的小轮。轮轴是由“轮”和“轴”组成的系统，该系统能绕共轴线旋转，相当于以轴心为支点、半径为杆的杠杆系统。

目前的教学过程中，作为教学用具的杠杆、滑轮、轮轴都是专用的、各自独立的，需要用到的用具较繁杂，不易收集完全。实际上，滑轮和轮轴都是杠杆的一种变形方式，目前的教学教具不能通过杠杆变换成滑轮和轮轴，学生很难形象的理解杠杆、滑轮和轮轴三者之间的关系，无法达到直观教学的目的。

实用新型内容

本实用新型目的在于针对现有技术中物理教学用具的杠杆、滑轮和轮轴均是各自独立的，需要使用时不易收集到一起，以及学生不易直观理解杠杆、滑轮和轮轴三者之间的联系的问题，提供一种力学组件及力学演示装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种力学组件，包括同轴设置的第一滑轮和第二滑轮，所述第一滑轮的直径小于所述第二滑轮的直径，所述第一滑轮和第二滑轮可拆卸连接，所述第一滑轮和第二滑轮能够相对转动，所述第一滑轮设有沿径向设置的第一凹槽，所述第一凹槽长度与所述第一滑轮直径相等，所述第一凹槽内可拆卸连接有第一杆件，所述第一杆件的形状尺寸均适配所述第一凹槽，所述第一杆件对应所述第一滑轮圆心的位置设有第一安装孔，所述第一滑轮和第二滑轮各自圆心位置均设有所述第一安装孔，所述第二滑轮的边缘设有沿径向设置的第二凹槽，所述第二凹槽长度大于所述第二滑轮和第一滑轮半径之差，所述第二凹槽内可拆卸连接有第二杆件，所述第二杆件的形状尺寸均适配所述第二凹槽，所述第一杆件和第二杆件分别设有用于连接的连接孔。

所述第一杆件两端的点到所述第一安装孔距离均相等，所述第一杆件可视为绕所述第一安装孔转动的等臂杠杆。所述第一杆件适配所述第一凹槽，即所述第一杆件长度等于所述第一滑轮直径，且所述第一杆件两端具有与所述第一滑轮适配的弧面，即所述第一杆件两端与第一滑轮组成一个完整的边缘，所述第一杆件设于所述第一凹槽内与所述第一滑轮形成整体，因此将等臂杠杆和滑轮联系在一起。所述第一杆件和第二杆件能够通过销轴连接所述连接孔形成固定，则相当于延长了所述第一杆件对应一侧长度，则连接形成的新的杆件可视为绕所述第一安装孔转动的不等臂杠杆。将所述第二杆件设于所述第二滑轮的第二凹槽内，所述第一杆件设于所述第一滑轮的第一凹槽内，并将所述第一杆件和第二杆件对应固定，则所述第二滑轮和第一滑轮固定，且所述第一滑轮较第二滑轮直径较小，所述第二滑轮和第一滑轮可分别视为轮轴中的“轮”与“轴”，因此将不等臂杠杆和轮轴联系在一起。综上所述，本实用新型所述的力学组件有效将杠杆、滑轮和轮轴三者结合在一起，使得教师能够直观向学生演示三者之间的关联，同时各个结构件能够组装成套收纳，解决了现有教学中教师收集教具困难的问题。

优选的，所述第一杆件包括第一条形杆和第二条形杆，所述第一条形杆和第二条形杆的接合面为相适配的阶梯式结构，竖直方向上的所述接合面为弧面，所述第一条形杆和第二条形杆均能够绕对应所述第一安装孔相对转动。

将所述第一杆件从所述第一滑轮上拆下，所述接合面位于所述第一杆件中部，所述第一条形杆和第二条形杆相对所述第一安装孔转动，转动一定夹角后固定两者之间的位置，则连接形成的新的杆件可视为绕所述第一安装孔转动的异形杠杆。教师可直观地向学生展示如何在一个异形杠杆中找到最小的力的方向。

优选的，所述第二条形杆两侧分别设有一个扇形缺口，每个所述扇形缺口内均可拆卸连接有扇形片，所述扇形片与扇形缺口适配，所述第二条形杆能够绕所述第一安装孔在所述扇形缺口内转动。

所述第一条形杆和第二条形杆放置于所述第一凹槽后不能相对所述第一安装孔转动，通过设置所述扇形缺口，使得所述扇形缺口之间的所述第一条形杆或第二条形杆能够在所述扇形缺口内转动一定范围。教师可直观向学生演示滑轮上动力的方向和动力的大小之间的关系。

优选的，所述第一杆件和扇形片均设有与所述第一滑轮边缘对应的绳槽，所述第二杆件设有与第二滑轮边缘对应的绳槽。

设置所述相适配的绳槽，可以避免演示过程中绳子从所述滑轮上脱落。

优选的，两个所述扇形缺口角度相同，均为30°至60°。采用上述比例关系，结构比较协调、美观。

优选的，所述第一凹槽内设有与所述第二凹槽相对应的通槽。

贯通的槽即为所述通槽。安装和拆卸所述第二杆件时需要将所述第一滑轮和第二滑轮拆开，在所述第二凹槽对应的第一凹槽位置设置所述通槽，安装所述第二杆件时可直接经过所述通槽安装到所述第二凹槽内而无需拆卸所述第一滑轮，方便快捷。

优选的，所述第一杆件与第一滑轮的接触面、所述扇形片与第一滑轮的接触面、所述第一滑轮和第二滑轮的接触面、所述第二杆件与第二滑轮的接触面均分别对应设有第二安装孔，所述第二安装孔内均设有磁铁，对应接触面的所述第二安装孔内的磁铁能相互吸引。

本实用新型力学组件需要各自单独使用以及组合使用，故需要各个部件之间可拆卸连接。可利用磁铁之间的吸引作用，使得各个组件之间拆卸比较方便，也可在接触面设置卡扣、魔术贴等方式。

优选的，所述第二滑轮直径为第一滑轮直径的1.5-2倍。所述第二滑轮和第一滑轮采用上述比例关系，结构比较协调、美观。

一种力学演示装置，包括砝码、支架、测力计和测绳，还包括所述一种力学组件。

所述力学组件与砝码、支架、测力计和测绳等常见的教具结合可供教师进行杠杆、滑轮和轮轴各自独立或其结合的力学演示，减少了教师收集全所有教具较为困难的问题，较为形象具体地向学生展示杠杆、滑轮和轮轴三者之间关系，达到直观教学的目的。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型一种力学组件将力学演示中常用的杠杆、滑轮和轮轴结合在一起，减少教师收集教具的时间；

2.本实用新型一种力学组件将杠杆、滑轮和轮轴三者结合在一起，使得教师能够直观向学生演示三者之间的关联，达到直观教学的目的。

3.本实用新型一种力学演示装置，可供教师进行杠杆、滑轮和轮轴各自独立或其结合的力学演示，可供演示的力学原理丰富，并且使用的教具较少，节约收集教具时间，演示过程直观具体，学生容易接受。

附图说明

图1为实施例1中力学组件爆炸视图；

图2为实施例1中力学组件俯视图；

图3为实施例1中第一滑轮示意图；

图4为实施例1中第一滑轮部分示意图；

图5为实施例1中第一杆件俯视图；

图6为实施例1中第一杆件剖面图；

图7为实施例1中第二滑轮示意图；

图8为实施例1中第二滑轮部分示意图；

图9为实施例1中第二杆件示意图；

图10为实施例2中的功能一示意图a；

图11为实施例2中的功能一示意图b；

图12为实施例2中的功能二示意图；

图13为实施例2中的功能三示意图a；

图14为实施例2中的功能三示意图b；

图15为实施例2中的功能四示意图a；

图16为实施例2中的功能四示意图b；

图17为实施例2中的功能五示意图；

图18为实施例2中的功能六示意图a；

图19为实施例2中的功能六示意图b；

图20为实施例2中的功能七示意图a；

图21为实施例2中的功能七示意图b；

图22为实施例2中的功能七示意图c；

图23为实施例2中的功能八示意图。

图中标记：1-第一滑轮，11-第一凹槽，12-第一杆件，121-第一安装孔，122-第一条形杆，123-第二条形杆，124-第一接合面，125-第二接合面，13-扇形缺口，14-扇形片，15-通槽，2-第二滑轮，21-第二凹槽，22-第二杆件，3-连接孔，4-第二安装孔，5-绳槽，6-支架，7-弹簧测力计。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

一种力学组件，包括同轴设置的第一滑轮1和第二滑轮2，所述第一滑轮1的直径小于所述第二滑轮2的直径，所述第一滑轮1和第二滑轮2可拆卸连接，所述第一滑轮1和第二滑轮2能够相对转动，所述第一滑轮1设有沿径向设置的第一凹槽11，所述第一凹槽11长度与所述第一滑轮1直径相等，所述第一凹槽11内可拆卸连接有第一杆件12，所述第一杆件12的形状尺寸均适配所述第一凹槽11，所述第一杆件12对应所述第一滑轮1圆心的位置设有第一安装孔121，所述第一滑轮1和第二滑轮2各自圆心位置均设有所述第一安装孔121，所述第二滑轮2的边缘设有沿径向设置的第二凹槽21，所述第二凹槽21长度大于所述第二滑轮2和第一滑轮1半径之差，所述第二凹槽21内可拆卸连接有第二杆件22，所述第二杆件22的形状尺寸均适配所述第二凹槽21，所述第一杆件12和第二杆件22分别设有用于连接的连接孔3。

具体的，如图1-9所示，滑轮的垂直面为垂直于滑轮平面并经过滑轮圆心的面，所述第一凹槽11两侧面关于所述第一滑轮1任意一个垂直面对称，所述第一杆件12的外形刚好与所述第一凹槽11吻合，所述第一杆件12的长度为所述第一滑轮1直径，所述第一杆件12放置于所述第一凹槽11后与所述第一滑轮1形成一个整体，所述第一滑轮1的边缘为一个完整的弧面。所述第二滑轮2的直径较所述第一滑轮1大1.5倍，所述第二凹槽21两侧面关于所述第二滑轮2任意一个垂直面对称，所述第二杆件22的外形刚好与所述第二凹槽21吻合，所述第二杆件22放置于所述第二凹槽21后与所述第二滑轮2形成一个整体，所述第二滑轮2的边缘为一个完整的弧面，所述第二凹槽21的长度略小于所述第二滑轮2半径。所述第一凹槽11内设有与所述第二凹槽21相对应的通槽15。所述通槽15可位于所述第一凹槽11内任意一端。所述第一滑轮1和第二滑轮2在各自圆心位置均设有所述第一安装孔121，所述第一安装孔121可为通孔，除此之外，所述第一杆件12和第二杆件22对应位置均设有连接孔3，所述第一杆件12和第二杆件22的所述连接孔3数目可不相同，所述连接孔3可为通孔，将所述第一杆件12和第二杆件22的所述连接孔3对准并用销轴固定，所述第一杆件12与第二杆件22上的不同所述连接孔3连接可形成不同长度的杆件。

如图5-6所示，所述第一杆件12包括两个条形杆，所述条形杆包括第一条形杆122和第二条形杆123，所述第一条形杆122和第二条形杆123的接合面均为相适配的阶梯式结构，竖直方向上的所述接合面包括第一接合面124和第二接合面125，所述第一接合面124和第二接合面125均为弧面，使所述第一接合面124和第二接合面125的旋转轴均为所述第一安装孔121的中心轴，则两条所述条形杆能够绕所述第一安装孔121相对转动。

所述第二条形杆123两侧的所述第一滑轮1上设有扇形缺口13，两个所述扇形缺口13的角度相同，可均为30°，所述扇形缺口13与第一凹槽11连通，所述扇形缺口13厚度与所述第一凹槽11厚度相同，所述第二条形杆123能够绕所述第一安装孔121在所述扇形缺口13内转动。两个所述扇形缺口13内均可拆卸连接有扇形片14，所述扇形片14与扇形缺口13适配，所述扇形片14的圆弧边与所述第一滑轮1的边缘形成一个完整的边缘。所述第一杆件12和扇形片14均设有与所述第一滑轮1边缘对应的绳槽5，所述第二杆件22设有与第二滑轮2边缘对应的绳槽5。

所述第一杆件12与第一滑轮1的接触面均分别对应设有第二安装孔4，所述第二安装孔4内均设有磁铁，所述第一杆件12与第一滑轮1对应磁铁相互吸引，同样的，所述扇形片14与第一滑轮1的接触面、所述第一滑轮1和第二滑轮2的接触面、所述第二杆件22与第二滑轮2的接触面均分别对应设有第二安装孔4，所述第二安装孔4内均设有磁铁，对应接触面的所述第二安装孔4内的磁铁相互吸引。

实施例2

一种力学演示装置，包括砝码、支架6、测力计和测绳，还包括如实施例1所述的一种力学组件。所述支架6可为教学中常用的铁架台，测绳可为普通的棉绳，所述测力计可为常见的弹簧测力计7。

具体可供演示的功能如下：

功能一：演示简单的省力、费力杠杆。

如图10-11所示，所述铁架台与第一杆件12的所述第一安装孔121转动连接，所述第一杆件12即为绕所述第一安装孔121的等臂杠杆，改变动力方向，根据所述弹簧测力计7上的度数演示省力、费力杠杆。

功能二：演示定滑轮本质上是等臂杠杆。

将图10、12结合，演示定滑轮本质上是等臂杠杆。

功能三：演示定滑轮上的动力方向不影响动力大小。

在定滑轮中，不论向哪个方向用力，其动力臂都是滑轮半径，等于阻力臂，所以定滑轮上动力的方向不影响动力的大小。如图13-14所示，通过改变定滑轮的动力方向，以及记录不同方向下弹簧测力计7的度数，演示定滑轮上的动力方向不影响动力大小。

功能四：演示动滑轮本质上是省力杠杆。

将图15、16结合，对比可见，动滑轮是一个动力臂是阻力臂二倍的省力杠杆。

功能五：演示动滑轮上的动力方向会影响动力大小。

在动滑轮中，当两条线不平行，动力的方向不再竖直向上时，其动力臂不再是阻力臂的两倍，此时动力不再是阻力的一半。将图16、17结合，通过改变动滑轮的动力方向，以及记录不同方向下弹簧测力计7的度数，演示动滑轮上的动力方向会影响动力大小。

功能六：演示轮轴本质上是省力杠杆。

如图18-19所示，将所述第一滑轮1上的第一杆件12和第二滑轮2上的第二杆件22分别拆卸，并通过所述连接孔3连接，新形成的杆件就构成绕着所述第一安装孔121转动的不等臂杠杆。所述第二滑轮2和第一滑轮1同轴设置构成了轮轴，其动力臂为所述第二滑轮2半径，其阻力臂为所述第一滑轮1半径。由此可知，当动力施加在轮沿，阻力施加在轴沿时，轮轴是省力的，并可推导出轮轴的应用公式。

功能七：演示杠杆上最小力的方向问题解法。

在杠杆部分有一种作图题是要求学生在一个异形杠杆中找出最小动力的方向，本质是找出最长力臂状态，但很多学生不能理解为什么从支点到力的作用点的连线是这类问题中的最长力臂，将所述第一杆件12组成如图20-22所示的异形杠杆后，通过向不同方向施加拉力，让学生体会其力臂在不断的变化，造成拉力也在变化，并直观地从弹簧测力计7中观察到最小力的位置和方向。

功能八：演示差动滑轮的使用与原理。

如图23所示，省略所述第二滑轮2和第一滑轮1的部分结构，本力学演示装置可以结合一个动滑轮演示差动滑轮的使用与原理。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种力学组件，其特征在于，包括同轴设置的第一滑轮(1)和第二滑轮(2)，所述第一滑轮(1)的直径小于所述第二滑轮(2)的直径，所述第一滑轮(1)和第二滑轮(2)可拆卸连接，所述第一滑轮(1)和第二滑轮(2)能够相对转动，所述第一滑轮(1)设有沿径向设置的第一凹槽(11)，所述第一凹槽(11)长度与所述第一滑轮(1)直径相等，所述第一凹槽(11)内可拆卸连接有第一杆件(12)，所述第一杆件(12)的形状尺寸均适配所述第一凹槽(11)，所述第一杆件(12)对应所述第一滑轮(1)圆心的位置设有第一安装孔(121)，所述第一滑轮(1)和第二滑轮(2)各自圆心位置均设有所述第一安装孔(121)，所述第二滑轮(2)的边缘设有沿径向设置的第二凹槽(21)，所述第二凹槽(21)长度大于所述第二滑轮(2)和第一滑轮(1)半径之差，所述第二凹槽(21)内可拆卸连接有第二杆件(22)，所述第二杆件(22)的形状尺寸均适配所述第二凹槽(21)，所述第一杆件(12)和第二杆件(22)分别设有用于连接的连接孔(3)。

2.如权利要求1所述一种力学组件，其特征在于，所述第一杆件(12)包括第一条形杆(122)和第二条形杆(123)，所述第一条形杆(122)和第二条形杆(123)的接合面为相适配的阶梯式结构，竖直方向上的所述接合面为弧面，所述第一条形杆(122)和第二条形杆(123)均能够绕对应所述第一安装孔(121)相对转动。

3.如权利要求2所述一种力学组件，其特征在于，所述第二条形杆(123)两侧分别设有一个扇形缺口(13)，每个所述扇形缺口(13)内均可拆卸连接有扇形片(14)，所述扇形片(14)与扇形缺口(13)适配，所述第二条形杆(123)能够绕所述第一安装孔(121)在所述扇形缺口(13)内转动。

4.如权利要求3所述一种力学组件，其特征在于，所述第一杆件(12)和扇形片(14)均设有与所述第一滑轮(1)边缘对应的绳槽(5)，所述第二杆件(22)设有与第二滑轮(2)边缘对应的绳槽(5)。

5.如权利要求3所述一种力学组件，其特征在于，两个所述扇形缺口(13)角度相同，均为30°至60°。

6.如权利要求1所述一种力学组件，其特征在于，所述第一凹槽(11)内设有与所述第二凹槽(21)相对应的通槽(15)。

7.如权利要求3-5任一所述一种力学组件，其特征在于，所述第一杆件(12)与第一滑轮(1)的接触面、所述扇形片(14)与第一滑轮(1)的接触面、所述第一滑轮(1)和第二滑轮(2)的接触面、所述第二杆件(22)与第二滑轮(2)的接触面均分别对应设有第二安装孔(4)，所述第二安装孔(4)内均设有磁铁，对应接触面的所述第二安装孔(4)内的磁铁能相互吸引。

8.如权利要求1-6任一所述一种力学组件，其特征在于，所述第二滑轮(2)直径为第一滑轮(1)直径的1.5-2倍。

9.一种力学演示装置，包括砝码、支架(6)、测力计和测绳，其特征在于，还包括如权利要求1-8任一所述的一种力学组件。

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