一种自动化的平抛运动演示装置的制作方法

本发明属于教学用具技术领域，涉及一种自动化的平抛运动演示装置。

背景技术：

在物理实验装置中，尤其是力学实验装置中，经常要涉及演示平抛运动的运动规律。我们都知道在抛体运动中有一种特殊情况，物体被抛出时的初速度方向沿水平方向，即物体具有水平初速度，且只在重力作用下所作的曲线运动叫做平抛运动。在分析平抛运动时我们可以将平抛运动分解为水平方向和竖直方向的两个分运动。水平方向的运动为匀速直线运动，竖直方向为自由落体运动。为了达到在物理教学中研究平抛运动规律、描绘平抛物体运动轨迹、验证平抛运动是水平向前的匀速直线运动和垂直向下的自由落体运动的合成运动以及运用平抛实验装置验证机械能守恒的目的，已有不少实验装置，但各有优劣。

传统的平抛运动演示仪，操作比较复杂、繁琐，在课堂上做演示探究时比较费时，现实中有很多利用平抛运动实验的演示装置，例如公开号为cn203232611u的实用新型专利公开了一种机械能守恒平抛运动实验器，包括上盖板，所述上盖板后部下方设有后固定块，上盖板后端安装有刻度块，可在上盖板上方水平滑动，水平标尺贴在u型轨道上部，上盖板前部下方设有前固定块，前固定块两侧上部设有调节旋钮，上盖板前端槽内插有平抛传感器，所述竖固定杆末端伸入上盖板前部下方前固定块内，刻度板背面设有光电门固定杆，所述蝶形螺栓伸入刻度板内，光电门固定杆末端安装有l型固定底座，所述刻度板侧部弧线边沿处与圆弧轨道固定座连接。

虽然上述的实验装置可以相对提高产率、质量高、精度高、提高了工作效率、节省能耗、工序简单、操作便捷等优点，但是操作过程依旧繁复，必须多次抛出小球，需要不断的手动放置小球在平抛装置上，多次重复后才可得到所需的实验数据，此外实验操作过程不具有直观性和连续性。

另外，由于受到教学条件的限制，在中学物理实验中的平抛运动规律实验方法依旧不能避免多次释放小球的弊端，学生们在操作该种实验装置的时候由于需要不断的进行抛出小球的操作，步骤复杂，难以集中精力更好的观察和分析实验现象，国内现有的中学物理平抛运动中很多试验装置都不同程度的具有一定的缺陷，没有一种可以通过自动化的机械结构来代替重复操作的简单平抛实验装置。因此，以上方法都不能使学生直观认识平抛运动的运动特点，演示仪器给学生的印象不深刻。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可以通过自动化的机械结构来代替重复操作的简单平抛实验装置，使实验具有直观性和连续性，加深学生印象。

本发明采用的技术方案在于，提供了一种自动化的平抛运动演示装置，包括机架，还包括固定在所述机架上的提升装置、平抛轨道和小球回收斜槽，所述平抛轨道用于提供小球做平抛运动的初速度，所述的小球回收斜槽用于收集完成平抛运动的小球，所述的提升装置用于将小球回收斜槽内的小球提升至平抛轨道内，使小球再次完成平抛过程，其中，

所述提升装置包括竖直设置的环形齿条、与所述环形齿条啮合的齿轮、驱动所述齿轮的调速电机和与所述齿轮连接的滚轮，所述的环形齿条为内环形齿条，所述滚轮设置在环形齿条的外缘，所述的环形齿条夹在所述的齿轮和滚轮之间，所述的滚轮围绕轴i转动，轴i一端连接有电磁铁，所述电磁铁包括铁芯、绕组和直流电源，所述的直流电源的一个电极与绕组的一端连接，所述直流电源的另一个电极通过导电元件i与滚轮连接，所述的绕组的另一端通过导电元件ii与齿轮连接，所述的齿轮、滚轮和环形齿条均为导体，所述的连接件为绝缘体，所述的电磁铁通过电源、绕组、齿轮、滚轮和夹在齿轮与滚轮之间的环形齿条组成通路，所述的环形齿条的顶端部分喷涂有绝缘层，当所述齿轮和滚轮位于环形齿条的顶端时，所述的电磁铁为断路，

所述的平抛轨道包括相互连接倾斜段和水平段，所述的倾斜段的入口位于当滚轮处于环形齿条的最顶端位置时的电磁铁的正下方，

所述的小球回收斜槽位于平抛空间的下方，所述小球回收斜槽的底端位于当滚轮处于环形齿条的最底端位置时的电磁铁的正下方。

上述的技术方案中，平抛轨道抛出的小球通过小球回收斜槽收集后，再通过提升装置提升至平抛轨道，不断重复，可以解放实验者的双手，实验多次自动化的抛出小球进行实验。具体的原理在于，当齿轮和滚轮位于环形齿条的底端时，电磁铁通过电源、绕组、齿轮、滚轮和夹在齿轮与滚轮之间的环形齿条组成通路，电磁铁具有磁性，可以将小球吸住，并向上运输，当齿轮和滚轮位于环形齿条的顶端时，由于环形齿条的订单喷涂有绝缘层，滚轮和齿轮之间为断点，电磁铁无法形成通路，磁性消失，小球下落进入平抛轨道。

进一步的，用于平抛运动的小球为铁球或钢球。铁球或钢球的磁化性能强，可以更好的吸附在电磁铁上。

进一步的，所述的所述齿轮围绕轴ii旋转，所述的齿轮和滚轮通过设置在环形齿条一侧的连接片连接，所述的连接片一端套接在所述轴i上，所述连接片的另一端套接在所述轴ii上。连接片可以使得齿轮和滚轮形成一体结构，围绕环形齿条同步运动。

进一步的，所述的平抛轨道和小球回收斜槽处于同一平面内。

进一步的，所述机架包括底板、顶板、左立板、右立板和后立板，所述的环形齿条固定在左立板上，所述的小球回收斜槽固定在右立板和底板上，所述的后立板上设置有坐标纸。坐标纸可以方便肉眼观察小球的平抛轨迹，还可以做为相机拍摄照片图像中的坐标参照。

进一步的，所述的平抛轨道的入口处正上方设置有喇叭形的接球口。喇叭形接口可以防止电磁铁在平抛轨道上方消磁后，小球坠落过程中由于惯性无法准确落入平抛轨道内。

进一步的，上述自动化的平抛运动演示装置还包括频闪相机，所述的频闪相机用于拍摄平抛过程中小球的平抛运动轨迹。

进一步的，所述的电磁铁与轴i之间为滑动连接；所述的导电元件i与滚轮之间、所述的导电元件ii与齿轮之间均为滑动连接，所述的导电元件i和导电元件ii均为导线。在位移的过程中防止由于旋转运动造成各结构的相互缠绕或干扰。

进一步的，所述的环形齿条的外缘形成有导轨，所述的滚轮上设置有环形凹槽，所述的导轨与环形凹槽相匹配。优选的，所述的导轨和凹槽均为v字形。

采用上述技术方案，包括以下有益技术效果：平抛轨道抛出的小球通过小球回收斜槽收集后，再通过提升装置提升至平抛轨道，不断重复，可以解放实验者的双手，通过自动化的结构设计多次自动化的抛出小球进行实验。使实验具有直观性和连续性，加深学生印象。

附图说明

图1是本发明自动化的平抛运动演示装置的结构示意图；

图2是本发明中提升装置的正视图；

图3是本发明中提升装置的左视图；

图4是本发明中滚轮和环形齿条一种连接方式的示意图；

图中，

1、机架；101、底板；102、顶板；103、左立板；104、右立板；105、后立板；2、提升装置；201、环形齿条；2011、导轨；202、齿轮；203、调速电机；204、滚轮；2041、环形凹槽；205、轴i；206、电磁铁；207、导电元件i；208、导电元件ii；209、绝缘层；210、轴ii；211、连接片；3、平抛轨道；4、小球回收斜槽；5、小球。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有说明，“多个”的含义为两个或更多。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。图1～图4给出了本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种自动化的平抛运动演示装置，包括机架1，还包括固定在所述机架1上的提升装置2、平抛轨道3和小球回收斜槽4，所述平抛轨道3用于提供小球5做平抛运动的初速度，所述的小球回收斜槽4用于收集完成平抛运动的小球5，所述的提升装置2用于将小球回收斜槽4内的小球5提升至平抛轨道3内，使小球5再次完成平抛过程。

如图2和3所示，所述提升装置2包括竖直设置的环形齿条201、与所述环形齿条201啮合的齿轮202、驱动所述齿轮202的调速电机203和与所述齿轮202连接的滚轮204，所述的环形齿条201为内环形齿条201，即所述环形齿条201的齿位于环形齿条201的内缘，所述滚轮204设置在环形齿条201的外缘，所述的环形齿条201夹在所述的齿轮202和滚轮204之间，所述的滚轮204围绕轴i205转动，在调速电机203的驱动下，调速电机203、齿轮202和滚轮204可以沿着环形齿条201运动，此时滚轮204沿着环形齿条201的外缘滚动。轴i205一端连接有电磁铁206，所述电磁铁206包括铁芯、绕组和直流电源，所述的直流电源的一个电极与绕组的一端连接，所述直流电源的另一个电极通过导电元件i207与滚轮204连接，所述的绕组的另一端通过导电元件ii208与齿轮202连接，所述的齿轮202、滚轮204和环形齿条201均为导体，所述的连接件为绝缘体，所述的电磁铁206通过电源、绕组、齿轮202、滚轮204和夹在齿轮202与滚轮204之间的环形齿条201组成通路，所述的环形齿条201的顶端部分喷涂有绝缘层209，当所述齿轮202和滚轮204位于环形齿条201的顶端时，所述的电磁铁206为断路，

需要说明的是，绝缘层所采用的材质均适用于现有技术，只有能够实现滚轮与齿轮之间绝缘连接的目的即可，当然也可采用将环形齿条顶端部分采用绝缘材料制作而成，做为替代方案。

所述的平抛轨道3包括相互连接倾斜段和水平段，所述的倾斜段的入口位于当滚轮204处于环形齿条201的最顶端位置时的电磁铁206的正下方，即当滚轮204运动至环形齿条201的最顶端的位置时，电磁铁206此时也在运动行程中的最高位置，此时的电磁铁206恰好位于倾斜段入口的正上方(如图1所示)，此时小球5掉落可以恰好掉入平抛轨道3。

所述的小球回收斜槽4位于平抛空间的下方，所述小球回收斜槽4的底端位于当滚轮204处于环形齿条201的最底端位置时的电磁铁206的正下方，即当滚轮204运动至环形齿条201的最底端的位置时，电磁铁206此时也在运动行程中的最低位置，此时的电磁铁206恰好位于小球5回收槽的底端的正上方(如图1所示)，此时电磁铁206恰好可以被吸起。

上述的实施方式在工作过程中，平抛轨道3抛出的小球5通过小球回收斜槽4收集后，再通过提升装置2提升至平抛轨道3，不断重复，可以解放实验者的双手，实验多次自动化的抛出小球5进行实验。具体的原理在于，当齿轮202和滚轮204位于环形齿条201的底端时，电磁铁206通过电源、绕组、齿轮202、滚轮204和夹在齿轮202与滚轮204之间的环形齿条201组成通路，电磁铁206具有磁性，可以将小球5吸住，并向上运输，当齿轮202和滚轮204位于环形齿条201的顶端时，由于环形齿条201的订单喷涂有绝缘层209，滚轮204和齿轮202之间为断点，电磁铁206无法形成通路，磁性消失，小球5下落进入平抛轨道3。

具体的，用于平抛运动的小球5为铁球或钢球。

在上述实施方式的基础上，所述的所述齿轮202围绕轴ii210旋转，所述的齿轮202和滚轮204通过设置在环形齿条201一侧的连接片211连接，所述的连接片211一端套接在所述轴i205上，所述连接片211的另一端套接在所述轴ii210上。连接片211可以使得齿轮202和滚轮204形成一体结构，围绕环形齿条201同步运动。

更为具体的，所述的平抛轨道3和小球回收斜槽4处于同一平面内。

如图1所示，所述机架1包括底板101、顶板102、左立板、右立板和后立板，所述的环形齿条201固定在左立板上，所述的小球回收斜槽4固定在右立板和底板101上，所述的后立板上设置有坐标纸。坐标纸可以方便肉眼观察小球5的平抛轨迹，还可以做为相机拍摄照片图像中的坐标参照。

为了防止电磁铁206在平抛轨道3上方消磁后，小球5坠落过程中由于惯性无法准确落入平抛轨道3内，可以所述的平抛轨道3的入口处正上方设置喇叭形的接球口(图中未示出)。

为了更好的结合现有技术手段，使得实验操作更加的便捷化，上述自动化的平抛运动演示装置还可以包括频闪相机，所述的频闪相机用于拍摄平抛过程中小球5的平抛运动轨迹。

当然，在位移的过程中为了防止由于旋转运动造成各结构的相互缠绕或干扰，所述的电磁铁206与轴i205之间优选为滑动连接；同样的所述的导电元件i207与滚轮204之间、所述的导电元件ii208与齿轮202之间均优选为滑动连接，所述的导电元件i207和导电元件ii208均为导线。

如图4所示，所述的环形齿条201的外缘形成有导轨2011，所述的滚轮204上设置有环形凹槽2041，所述的导轨2011与环形凹槽2041相匹配。具体的，所述的导轨2011和凹槽均为v字形。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。