专利名称：摩擦力演示仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种教学实验仪器，尤其涉及一种摩擦力演示仪，属于实验教具器件类技术领域，它能直观演示静摩擦力的现象和规律，特别适合在物理实验课上作教学演示使用。
背景技术：
在现行初中、高中学物理乃至大学物理课程的教学实践中，关于力学部分涉及“摩擦力”的内容是众多老师普遍公认的“老师难讲、学生难学”的一个既是教学重点又是教学难点的章节，特别是对“静摩擦力”的物理概念更是难以理解。这主要是由于“静摩擦力”是一个很难清晰感知、也难以进行准确描述的一个变化莫测的力学现象。事实上，它是由物体的“运动趋势”而产生，它的大小和方向是随“运动趋势程度的变化而变化”的。一般来说，老师在课堂教学中常常是借助于毛刷、木块、玻璃和传统的测力计、弹簧秤等教学器材反复多次地进行实验演示，才能勉强完成讲解“摩擦现象和摩擦力”的基本教学任务。但是，这种传统的教学方式只能算是对摩擦力作了“半定性”的演示，并不能真正帮助学生准确地理解“静摩擦力”的物理概念，更不能严谨地建立“摩擦力与压力”的数学关系式。无需讳言，这种传统的实验方式不仅原始粗犷并且教学理念滞后，不具备物理实验应有的直观性、趣味性和教学启迪性，它所能起到的教学作用实在是不尽人意。迄今为止，在物理教学实践中，真正具有实验趣味性和直观性的摩擦力教学仪器也并不多见，怎样改进完善有关摩擦力教学的实验仪器已经成为物理教学科研中的一项迫切需要解决的课题，本实用新型正是想要解决这个问题。
实用新型内容本实用新型的目的是在现有技术的基础上提出一种智能化程度高、直观演示性能强的摩擦力演示仪，它能直观地演示静摩擦力的产生、变化的现象和规律，在物理教学中具有极佳的实验演示效果。本实用新型的目的是按照如下技术方案来实现的:本实用新型提出的摩擦力演示仪，它包括实验基板、安装于实验基板的竖直面板、配置于实验基板的摩擦滑板和摩擦演示块，摩擦滑板的一端配装有牵引拉绳，在实验基板、摩擦滑板和摩擦演示块的侧面设置有位置标识刻度线，其特征在于:在竖直面板上安装有拉力传感器、数码显示屏和定滑轮，在定滑轮上绕装有细线，细线的一端挂装于摩擦演示块，细线的另一端挂装于拉力传感器，在实验基板上安装有数据处理器。更进一步地说，本实用新型还具有如下的技术特征:所述的数据处理器由89S51单片机、电源电路、力传感器模块、摩擦面相对位移量转换模块、摩擦力输出转换电路和人机交互界面构成。所述的人机交互界面由键盘和数码显示屏构成。所述的拉力传感器、数码显示屏是由信号电缆与数据处理器的力传感器模块、摩擦面相对位移量转换模块相连接。它是这样进行实验演示的:首先将摩擦滑板配装于实验基板上面，将质量为m的摩擦演示块平放于摩擦滑板上，并使摩擦滑板、摩擦演示块和实验基板侧面设置的位置标识刻度线处于对齐位置。将一端挂装于拉力传感器的细线绕装于定滑轮，再将细线的另一端挂装于摩擦演示块并使细线呈张紧状态。经过检查无误后，插上电源插头、合上开关使数据处理器通电工作，即可开始实验演示操作:用手轻轻地逐渐用力缓缓拉紧摩擦滑板的牵引拉绳，要求拉紧牵引拉绳的用力控制为:只能使摩擦滑板、摩擦演示块在实验基板上“具有运动趋势而并不发生相对位移”，在演示实验中可通过摩擦滑板、摩擦演示块和实验基板侧面设置的位置标识刻度线进行观察是否发生位移的情况。由这种“运动趋势”而产生的静摩擦力将会通过细线作用于拉力传感器，并经数据处理器的力传感器模块、摩擦力输出转换电路和摩擦面相对位移量转换模块转换成电信号输至89S51单片机进行计算处理，即可由人机交互界面的数码显示屏动态地显示出静摩擦力的实验数据。当拉紧牵引拉绳的用力发生变化时，在数码显示屏上显示的静摩擦力实验数据也会随之发生变化。如果持续地加大力度来拉动牵引拉绳，就在摩擦滑板刚刚开始发生滑动的瞬间，在数码显示屏上显示的实验数据即为静摩擦力的最大值fmax，它在数值上也基本等于滑动摩擦力，即静摩擦力的最大值fmax =Mfflg，式中μ为摩擦系数。并且在逐渐用力拉紧牵引拉绳直至摩擦滑板开始滑动的整个实验演示的全过程中，在数码显示屏上动态地显示静摩擦力的实验数据总是在O至fmax之间变化。在实际教学中，可根据物理实验计划书制定实验组次，变换一组不同质量的摩擦演示块进行多组实验，也可采用不同质量数值的标准砝码进行多组实验，均能清晰地演示并验证“静摩擦力是由物体运动趋势而产生并随运动趋势的变化而变化,静摩擦力的最小值为零、最大值为fmax =Mfflg,且静摩擦力的方向总是与运动趋势相反”的基本规律。本实用新型同现有技术相比具有如下实质性特点和进步:本实用新型在竖直面板上安装拉力传感器和数码显示屏，并在实验基板上配置与之相连的数据处理器，它是将实验过程中产生的静摩擦力动态地作用于拉力传感器并经摩擦力输出转换电路、力传感器模块转换成电信号输至单片机计算进行处理，再由数码显示屏动态地显示出静摩擦力的实验数据。本实用新型是采用智能技术直观真实地演示静摩擦力产生、变化的物理现象，能有效地帮助学生深刻理解“静摩擦力”的物理概念和基本规律，它对提高物理教学质量水平有明显作用。
图1是本实用新型的结构示意图。图2是本实用新型的数据处理器的工作原理模块框图。附图中的标记说明:I为拉环，2为牵引拉绳，3为细线，4为拉力传感器，5为竖直面板，6为数码显示屏，7为复位按钮，8为键盘，9为数据处理器，10为开关，11为电源插头，12为教学实验演示台，13为摩擦滑板,14为定滑轮,15为位置标识刻度线，16为摩擦演示块,17为实验基板。
具体实施方式
[0018]
以下结合附图进一步描述本实用新型的实施例:一种摩擦力演示仪，它主要由安装于实验基板17的竖直面板5、摩擦滑板13、数据处理器9和安装于竖直面板5的拉力传感器4、定滑轮14、数码显示屏6构成，所述的数据处理器9包括89S51单片机、电源电路、力传感器模块、摩擦面相对位移量转换模块、摩擦力输出转换电路，所述的拉力传感器4、数码显示屏6是用信号电缆连接于数据处理器9的力传感器模块、摩擦面相对位移量转换模块。它是按照如下方式进行实验演示的:首先将本实用新型提出的摩擦力演示仪水平摆放于教学实验演示台12桌面上，根据物理教学的实验计划书编制实验组次并配备一组不同质量的摩擦演示块16，将选用的质量为m的摩擦演示块16平放于摩擦滑板13上面并使摩擦滑板13、摩擦演示块16和实验基板17侧面设置的位置标识刻度线15处于对齐位置。将绕装于定滑轮14的细线3的一端挂装于拉力传感器4，再将细线3的另一端挂装于摩擦演示块16并使细线3呈张紧状态。检查无误后，插上电源插头11、合上开关10使数据处理器9通电工作，按动复位按钮7进行清零复位，即可开始实验演示操作:用手扣住拉环I逐渐用力缓缓拉紧摩擦滑板13的牵引拉绳2，使摩擦滑板13、摩擦演示块16在实验基板17上只具有“运动的趋势”但又不发生相对位移。这时，由这种“运动趋势”所产生的静摩擦力将通过细线3作用于拉力传感器4、并经力传感器模块、摩擦力输出转换电路和摩擦面相对位移量转换模块转换成电信号输至89S51单片机进行计算处理后，即可由数码显示屏6显示出静摩擦力的实验数据。当拉紧牵引拉绳2的力发生变化时，在数码显示屏6上显示的静摩擦力实验数据也会随之发生变化。如果逐渐加大力度拉动牵引拉绳2使摩擦滑板13开始发生滑动的瞬间，在数码显示屏6上所显示的实验数据即为静摩擦力的最大值fmax，它在数值上基本等于滑动摩擦力，即是说静摩擦力的最大值为=Wng，式中μ为摩擦系数。我们在逐渐用力拉紧牵引拉绳2直至摩擦滑板13开始滑动的整个实验演示的全过程中，在数码显示屏6上动态显示的静摩擦力的实验数据总是在O至fmax之间变化。在实际教学中，也可采用不同质量数值的标准砝码进行多组实验，均能清晰地演示并验证“静摩擦力由物体运动趋势而产生并随运动趋势的变化而变化，静摩擦力的最小值为零、最大值为fmax =Mfflg,并且静摩擦力的方向总是与运动趋势相反”的基本规律。还可根据物理实验教学的需要，通过键盘8输入有关实验演示的编程数据指令，即可在数码显示屏6上自动显示记录静摩擦力在O至fmax之间变化的曲线图，能有效增强力物理实验的演示直观性和趣味性。也可以将静摩擦力的计算公式f=Mmg和静摩擦力系数的计算公式Ff/mg进行编程并通过键盘8输入数据处理器9内，即可对不同材质的摩擦演示块16、摩擦滑板13的静摩擦系数进行测定，使其在物理实验中更有具教学性和知识性。
权利要求1.一种摩擦力演示仪，它包括实验基板(17)、安装于实验基板(17)的竖直面板(5)、配置于实验基板(17)的摩擦滑板(13)和摩擦演示块(16)，摩擦滑板(13)的一端配装有牵引拉绳(2)，在实验基板(17)、摩擦滑板(13)和摩擦演示块(16)的侧面设置有位置标识刻度线(15)，其特征在于:在竖直面板(5)上安装有拉力传感器(4)、数码显示屏(6)和定滑轮(14)，在定滑轮(14)上绕装有细线(3)，细线(3)的一端挂装于摩擦演示块(16)，细线(3)的另一端挂装于拉力传感器(4)，在实验基板(17)上安装有数据处理器(9)。
2.根据权利要求1所述的摩擦力演示仪，其特征在于:所述的数据处理器(9)由89S51单片机、电源电路、力传感器模块、摩擦面相对位移量转换模块、摩擦力输出转换电路和人机交互界面构成。
3.根据权利要求2所述的摩擦力演示仪，其特征在于:所述的人机交互界面由键盘(8)和数码显示屏(6)构成。
4.根据权利要求1或2所述的摩擦力演示仪，其特征在于:所述的拉力传感器(4)、数码显示屏(6)是由信号电缆与数据处理器(9)的力传感器模块、摩擦面相对位移量转换模块相连接。
专利摘要本实用新型公开了一种摩擦力演示仪，它主要由安装于实验基板的数据处理器、摩擦滑板、一组不同质量的摩擦演示块和安装于竖直面板的拉力传感器、定滑轮、数码显示屏构成，它是利用智能技术将实验过程中产生的静摩擦力作用于拉力传感器、并经摩擦力输出转换电路、力传感器模块转换成电信号输至单片机进行计算处理，再由数码显示屏动态地显示出静摩擦力的实验数据，它能直观真实地演示静摩擦力的产生和变化的物理现象，帮助学生深刻理解“静摩擦力”的物理概念和基本规律，能有效地提高物理实验教学的质量水平，本实用新型具有结构简捷、生产制作容易、实验操作方便、演示直观性强的优点。
文档编号G09B23/10GK202929911SQ20122062156
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者何光普, 张九华, 唐前军, 李勇 申请人:乐山师范学院