专利名称：模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪的制作方法
技术领域：
模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪技术领域[0001]本实用新型属于锥体上滚的力学实验装置的技术领域，具体涉及模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪。
背景技术：
[0002]锥体上滚实验仪是大、中学校用来验证机械能守恒定律的一种演示性实验仪器。目前资料显示，遍布全国大、中学校物理实验室的锥体上轨实验仪均是底座上固定两个关于中心线为对称固定导轨，采用一个尺寸固定的双圆锥体来做演示性实验。这种演示是仅仅满足锥体上滚条件β γtan tan ^ > tan α无数种状态的某一种状态。[0003]该装置只能通过演示双圆锥上轨过程给学生看，尽管也是通过双圆锥体重心由高到低变化，来演示锥体上轨所产生的视角效果，通过重力做功使之重力势能转化为动能，来验证机械能守恒定律。但是，从培养学生能力方面远远无法达到预期目标，很难从实验原理和双锥体上轨运动机理角度，从更高、更深层次上理解锥体上滚的本质和内涵。[0004]传统的演示实验仪，无法克服让学生通过动手设计来完成该实验。申请人与2011 年曾也对原演示实验仪进行改造，在双导轨对称转动一定角度，使之两轨道平面倾角改变， 采用的是球体机械转动形式，同时也申请了专利，专利号为201120221352. 1，但是这种球体结构制造工艺相对麻烦，造价也相对较高，以及没有弧形主微尺等。实用新型内容[0005]针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于设计提供一种模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪的技术方案，该实验仪能够进行全方位调节，并且生产成本低，测量精度高，误差小。[0006]所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，包括底座和设置在底座上的双导轨装置，所述的双导轨装置包括左导轨和右导轨，其特征在于所述的左导轨和右导轨一端共同轴连接转动平台，转动平台下端轴连接旋转支柱，旋转支柱下端连接固定支柱，固定支柱插接设置在上下调节螺杆支柱中，上下调节螺杆支柱螺纹连接支柱，支柱与底座上设置的水平滑轨滑动配合，所述的左导轨和右导轨另一端分别连接导轨末端支撑杆，导轨末端支撑杆插接设置在导轨末端上下调节螺杆支柱中，导轨末端上下调节螺杆支柱螺纹连接导轨末端支柱，导轨末端支柱与底座上设置的弧形滑轨滑动配合，所述的底座中部平行设置第一主尺和第二主尺，所述的弧形滑轨上设置弧形主尺。[0007]所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的左导轨和右导轨一端分别通过设置的转动支柱与转动平台轴连接。[0008]所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的旋转支柱插入固定支柱的固定刀口中，并通过固定螺母I固定。[0009]所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的固定支柱插入上下调节螺杆支柱中，并通过固定螺母II固定。[0010]所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的支柱上通过设置的锁定螺母固定测量微尺。[0011]所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的支柱底部固定设置滑动支脚，滑动支脚与设置在底座上的水平滑轨滑动配合。[0012]所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的左导轨和右导轨一端分别设置导轨末端转动轴，导轨末端转动轴插入导轨末端支撑杆的支撑杆刀口中，并通过固定螺母III固定。[0013]所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的导轨末端支撑杆插入导轨末端上下调节螺杆支柱中，并通过固定螺母IV固定。[0014]所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的导轨末端支柱上通过设置的导轨末端锁定螺母固定弧形微尺。[0015]所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的导轨末端支柱底部固定有导轨末端滑动支脚，所述的导轨末端滑动支脚与设置在底座上的弧形滑轨滑动配合。[0016]与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果[0017]I、设计多个模块，可由学生自行设计、组装和调节，全方位培养学生创新能力；[0018]2、左右导轨有各自的转动轴，同时又关于支撑杆轴为对称，锥体自开始端作为上滚起点，相当于增加了轨道长度，从而实现了锥体上滚实验仪的微型化，也同时减少了加工的难度；[0019]3、轨道平面倾角变化采用了在ZX (竖直)平面内的转动支撑杆，减小了机械加工的难度和工作量；[0020]4、在起初调整水平时，在保证两导轨平行情况下，能够准确地度量导轨的有效长度，并采用了微尺，其精度可以达到O. 1mm，大大地提高了测量精度；[0021]5、左右轨道末端支撑杆分别沿各自圆周弧线转动，采用了弧线微尺，其测量精度可达3,；[0022]6、分别能够实现在xy平面、xz平面上和yz平面上的全方位精确、灵活调节；[0023]7、基于其能够实现全方位灵活、精确调节，因而能够采用该仪器来验证锥体上滚实验条件；[0024]8、可随意改变挡锥物位置(即轨道长度)，可采用相似三角形法将挡锥物间距换算至轨道末端支撑杆上方间距，以此来确定轨道支撑杆沿圆弧应该转动至对应刻度；[0025]9、该实验仪器的设计，已经通过机械加工制作出来，并用该仪器设备验证锥体上滚条件，并附有实验原理、应用举例、测量推算、数据处理和误差分析，而且，通过采用4个锥子进行实验，其误差均不大于6%。
[0026]图I为本实用新型中双导轨装置的结构分解图；[0027]图2为本实用新型中底座的主视图；[0028]图3为本实用新型中底座的侧视图；[0029]图4为本实用新型的结构示意图；[0030]图5为锥体上滚临界条件推导示意图；[0031]图6为导轨平面倾斜角推算示意图；[0032]图7为锥体上滚相关参数测量俯视图；[0033]图8为第一主尺与第二主尺的示意图；[0034]图9为第一主尺、第二主尺与游标尺精度示意图；[0035]图10为弧形主尺与游标尺精度示意图。[0036]图中1_左导轨；2-右导轨；3-转动支柱；301-双轨道插孔；4-转动平台；5-旋转支柱；6_固定支柱；601-固定刀口 ；7-固定螺母I ;8_上下调节螺杆支柱；9-固定螺母 II ;10-支柱；11_锁定螺母；12_滑动支脚；13_测量微尺；14_微尺套圈；15_导轨末端转动轴；16-支撑杆刀口 ； 17-导轨末端支撑杆；18_固定螺母III ; 19-导轨末端上下调节螺杆支柱；20_固定螺母IV ;21_导轨末端支柱；22_导轨末端锁定螺母；23_导轨末端滑动支脚； 24-弧形微尺套圈；25_弧形微尺；26_微尺刻度；27_第一主尺；28_第二主尺；29_水平滑轨；30_水平调节水泡；31_弧形滑轨；32_底座；33_轴下支脚；34_左支脚；35_右支脚； 36-弧形主尺。
具体实施方式
[0037]以下结合说明书附图来进一步说明本实用新型。[0038]如图1、2、3和4所示，模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪包括底座32，底座32底部设有用于支撑的轴下支脚33、左支脚34和右支脚35，底座32中部平行设有第一主尺27、第二主尺28及弧形主尺36。底座32上设置双导轨装置，双导轨装置包括左导轨I和右导轨2，左导轨I和右导轨2 —端连接有共同可调节的支撑杆，左导轨I和右导轨2的另一端(末端)分别连接可调节的转动轴15。[0039]与左导轨I和右导轨2 —端连接的支撑杆由转动平台4、旋转支柱5、固定支柱6、 上下调节螺杆支柱8、支柱10和滑动支脚12构成。其具体连接方式如下左导轨I和右导轨2 —端分别固定转动支柱3，转动支柱3安装在转动平台4的双轨道插孔301上，转动平台4下端轴连接旋转支柱5,旋转支柱5插入固定支柱6的固定刀口 601中，并通过固定螺母I 7固定，固定支柱6插入上下调节螺杆支柱8中，并通过固定螺母II 9固定，上下调节螺杆支柱8螺纹连接支柱10，支柱10底端固定设置滑动支脚12。滑动支脚12与底座32 上设置的水平滑轨29滑动配合。为了方便测量，测量微尺13通过其上的微尺套圈14套接在支柱10上，支柱10上通过设置的锁定螺母11用于固定测量微尺13和滑动支脚12。[0040]与左导轨I和右导轨2另一端(末端)分别连接的转动轴由导轨末端支撑杆17、导轨末端上下调节螺杆支柱19、导轨末端支柱21和导轨末端滑动支脚23构成。其具体连接方式如下左导轨I和右导轨2 —端分别设置导轨末端转动轴15，导轨末端转动轴15插入导轨末端支撑杆17的支撑杆刀口 16中，并通过固定螺母III18固定，导轨末端支撑杆17插入导轨末端上下调节螺杆支柱19中，并通过固定螺母IV 20固定，导轨末端上下调节螺杆支柱19螺纹连接导轨末端支柱21，导轨末端支柱21底部固定设置导轨末端滑动支脚23，导轨末端滑动支脚23与设置在底座32上的弧形滑轨31滑动配合，弧形滑轨31 —侧设有弧轨末端支柱21上通过设置的导轨末端锁定螺母22固定弧形微尺25，并且固定弧形微尺25通过其上的弧形微尺套圈24套接在导轨末端支柱21，弧形微尺25 —侧设有主尺微尺刻度26。其中，导轨末端下支撑杆下标尺的主尺微尺与弧形微尺为一个微尺片。[0041]一、使用调节方法[0042](I)首先，根据说明书“模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪”的实验结构简图，组装锥体上轨实验仪，即将如图2与图4组装在一起；[0043](2)通过调节轴下支脚33、左支脚34和右支脚35和观察底座32上设置的水平调节泡30，是否处于中央，将底座32水平；[0044](3)合并左导轨I和右导轨2至平行状态，此时，两轨道应该关于第二主尺中央线为对称，即左右轨道位于左AE1和右AE1的位置上，如图7所示；[0045](4)借用水平尺分别纵横放置于左右轨道上表面，分别调节三个支撑杆上下调节螺旋，将双轨道调节在一个水平面内；[0046](5)根据老师所给双圆锥体底面直径、高度，以及锥体最终所滚位置，来推算其它参量;[0047](6)根据所推算的相关参量，调节左导轨I和右导轨2的支脚沿各自左右圆弧轨道所应该转角度大小，如图7所示，即左B1B弧和右B1B弧所在位置，并使左右轨道末端与支撑杆间的转动轴沿着各自轨道方向；并再次借用水平尺分别纵横放置于左右轨道上表面，分别调节三个支撑杆上下调节螺旋，将双轨道调节在一个水平面内；[0048](7)调节轨道始端(即转动平台4轴承)下支撑杆高度和沿底座水平(即第二主尺) 方向滑动支脚12，以调节水平导轨平面倾斜度(根据前面推算结果);在调节的过程中，保持轨道末端支撑杆高度不变，左导轨I和右导轨2仅围绕轨道末端与轨道支撑杆连接的旋转轴转动，而轨道轴承端的下移量应该小于等于如下所推算的Ai，如图6所示；[0049](8)调节各个环节后，锁紧所有转动处的固定螺丝；[0050](9)将圆锥放至轨道低端处进行设计性实验，如图5所示；[0051](10)根据双锥体放在锥体轨道上滚与不滚来调节值，来反复进行实验，直至双圆锥体刚好滚动为止，以此来验证锥体上滚条件是否正确。同时，以实验值与理论值进行比较，来计算百分误差。[0052]二、验证锥体上滚条件实验原理[0053]I、轴承端导轨下降高度推算方法[0054]在左右导轨AB1被此关于中心线对称、平行且上表面水平前提条件下。设导轨调水平时，导轨轴承至导轨支撑杆与导轨末端支撑杆轴承连接处A (或挡锥物)的水平距离( ，如图6所示；轴承端支撑杆升降螺旋下降高度·^ = I ,导轨轴承端下降后，其铅垂线至导轨末端支撑杆轴承A (或挡锥物)间水平距离Zi(AD),轨道平面倾角为％。依据锥体上滚条[0056]让
权利要求1.模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，包括底座(32)和设置在底座(32)上的双导轨装置，所述的双导轨装置包括左导轨(I)和右导轨(2)，其特征在于所述的左导轨(I)和右导轨(2)—端共同轴连接转动平台(4)，转动平台(4)下端轴连接旋转支柱(5)，旋转支柱(5)下端连接固定支柱(6)，固定支柱(6)插接设置在上下调节螺杆支柱(8)中，上下调节螺杆支柱(8)螺纹连接支柱(10)，支柱(10)与底座(32)上设置的水平滑轨(29)滑动配合，所述的左导轨(I)和右导轨(2)另一端分别连接导轨末端支撑杆(17)，导轨末端支撑杆(17)插接设置在导轨末端上下调节螺杆支柱(19)中，导轨末端上下调节螺杆支柱(19)螺纹连接导轨末端支柱(21)，导轨末端支柱(21)与底座(32)上设置的弧形滑轨(31)滑动配合，所述的底座(32)中部平行设置第一主尺(27)和第二主尺(28)，所述的弧形滑轨(31)上设置弧形主尺(36)。
2.如权利要求I所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的左导轨(I)和右导轨(2) —端分别通过设置的转动支柱(3)与转动平台(4)轴连接。
3.如权利要求I所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的旋转支柱(5)插入固定支柱(6)的固定刀口(601)中，并通过固定螺母I (7)固定。
4.如权利要求I所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的固定支柱(6)插入上下调节螺杆支柱(8)中，并通过固定螺母II (9)固定。
5.如权利要求I所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的支柱(10)上通过设置的锁定螺母(11)固定测量微尺(13)。
6.如权利要求I所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的支柱(10)底部固定设置滑动支脚(12)，滑动支脚(12)与设置在底座(32)上的水平滑轨(29)滑动配合。
7.如权利要求I所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的左导轨(I)和右导轨(2) —端分别设置导轨末端转动轴(15)，导轨末端转动轴(15)插入导轨末端支撑杆(17)的支撑杆刀口(16)中，并通过固定螺母111(18)固定。
8.如权利要求I所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的导轨末端支撑杆(17)插入导轨末端上下调节螺杆支柱(19)中，并通过固定螺母IV (20)固定。
9.如权利要求I所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的导轨末端支柱(21)上通过设置的导轨末端锁定螺母(22)固定弧形微尺(25)。
10.如权利要求I所述的模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，其特征在于所述的导轨末端支柱(21)底部固定有导轨末端滑动支脚(23)，所述的导轨末端滑动支脚(23)与设置在底座(32)上的弧形滑轨(31)滑动配合。
专利摘要模块化全方位调节式定量验证锥体上滚条件实验仪，属于锥体上滚的力学实验装置的技术领域。其包括底座和设置在底座上的双导轨装置，双导轨装置包括左导轨和右导轨，左导轨和右导轨一端共同轴连接转动平台，转动平台下端轴连接旋转支柱，旋转支柱下端连接固定支柱，固定支柱插接设置在上下调节螺杆支柱中，上下调节螺杆支柱螺纹连接支柱，支柱与底座上设置的水平滑轨滑动配合，左导轨和右导轨另一端分别连接导轨末端支撑杆，导轨末端支撑杆插接设置在导轨末端上下调节螺杆支柱中，导轨末端上下调节螺杆支柱螺纹连接导轨末端支柱，导轨末端支柱与底座上设置的弧形滑轨滑动配合。该实验仪能够进行全方位调节，并且生产成本低，测量精度高，误差小。
文档编号G09B23/10GK202816223SQ20122043359
公开日2013年3月20日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者张锐波 申请人:浙江大学城市学院, 张锐波