一种多功能物理演示装置和方法与流程

本发明涉及物理教学用具技术领域，特别是一种多功能物理演示装置和方法。

背景技术：

在物理学习过程中，大家都知道很多物理公式枯燥乏味，而且不便于记忆，从而大大降低了学生对物理的学习兴趣，对于物理上能量守恒定律的讲解过程中，由于能量是一个非常抽象的的概念，单纯地讲解显得较为空泛，学生不能够更深层次的掌握；只能对公式进行死记硬背，并没有直观的概念，这对学生在学习过程中来说是非常不利的。

因此，通过一些装置来实现抽象的能量转换为学生在学习过程中能够直接观察到的一些现象是非常重要的，不仅可以对学生学习提高深刻的认识，也为其以后的学习提供很好的示范效果。

但是现在的验证能量守恒定律的装置大都存在一定的缺陷，导致验证过程中的误差较大，不仅起不到很好的示范作用，有时候甚至可能误导一部分学生的思维，大多的装置进行验证都是非真空状态，这就导致在验证过程中不可避免的受到空气阻力的干扰，从而导致结果的误差。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供了一种多功能物理演示装置和方法，有效的解决了将抽象的能量具体化，减少空气阻力干扰影响演示结果，通过能量验证速度影响向心力的问题。

一种多功能物理演示装置，其解决的技术方案包括壳体，其特征在于，所述的壳体的内部开有u型轨道，u型轨道的左侧上部安装有可上下移动的金属球掉落装置，u型轨道的右侧上部设有与其连通的抽气装置；

所述的金属球掉落装置包括与u型轨道贯通的套筒，套筒的内部设有进球管，进球管的外侧铰接有在套筒内的卡钳，卡钳上端与进球管之间安装有第一弹簧，卡钳的下部放置有可随卡钳动作而掉落的金属球。

优选的，所述的抽气装置包括与u型轨道连通的第一通气管，第一通气管与驱动装置之间连接有自控装置，所述的自控装置包括与第一通气管连通的第二通气管，第二通气管下部装有活塞杆，活塞杆的下端连接推力弹簧，推力弹簧上部有固定在活塞杆侧面的导电棒，导电棒通过导线连接至驱动装置7。

优选的，所述的u型轨道的侧面设有刻度，u型轨道的直段下端b、c两点安装有速度传感器。

优选的，所述的套筒的外侧设置有可以固定套筒位置的支架。

优选的，所述的u型轨道的槽底设有与其连通的且可拆卸的取球器，取球器的上端成与u型轨道圆弧形槽底相配合的圆弧形。

一种多功能物理演示的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将整个装置调至水平状态，调整后，将金属球通过进球管放入，使金属球停留在卡钳的下部，开动抽气装置，将u型轨道内空气抽出，形成真空。

步骤二、上下调节套筒的位置，调整好后，将套筒通过支架固定，记录此时金属球所在的高度h,挤压卡钳上部，压缩弹簧，使卡钳下端瞬时松开，并在弹簧的作用下立即闭合，金属球落下，做自由落体运动。

步骤三、金属球落下后在u型轨道内运动，通过在u型轨道b点的速度传感器记录金属球运动至此处的速度v，并记录b点的高度h1，通过公式mg（h-h1）=½mv²,可以验证重力势能转化为动能的过程。

步骤四、金属球继续沿u型轨道运动，当金属球运动至右侧c点时，通过速度传感器记录此时的速度v1,并记录c点的高度h2；金属球通过c点后会继续向上运动，记录金属球运动到右端最高点时的高度h3,通过公式mg（h3-h2）=½m（v1）²可再次验证动能转化为重力势能的过程。

步骤五、根据步骤三及步骤四中，金属球在一次运动过程中的h1以及h3可得出，金属球在u型轨道圆弧段因摩擦所损失的能量δw=mg（h1-h3）。

根据权利要求6所述的一种多功能物理演示的方法，其特征在于，可以通过调节金属球每次从不同的高度h1落下，可以得出每次所损失的能量δw并不相同，通过公式δw=fs，f=μfn,fn=mv²/r,s=πr,可以得出δw=μπmv²，可以验证通过圆弧段时摩擦力的大小与通过的速度有关。

本发明结构巧妙，有效的解决了将抽象的能量具体化，减少空气阻力干扰影响演示结果，通过能量验证速度影响向心力的问题。

附图说明

图1为本发明主视图示意图。

图2为本发明金属球掉落装置示意图。

图3为本发明抽气装置示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至图3对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

实施例一，一种多功能物理演示装置，包括壳体1，其特征在于，所述的壳体1的内部开有u型轨道4，作为物理演示过程中所需运动的轨道，u型轨道4的左侧上部安装有可上下移动的金属球掉落装置5，可以控制金属球10的掉落，u型轨道4的右侧上部设有与其连通的抽气装置，抽出u型轨道4中的空气，使u型轨道4内形成真空的演示环境；

所述的金属球掉落装置5包括与u型轨道4贯通且可以上下移动的套筒11，套筒11可上下移动进而来调节金属球10掉落的起始高度，套筒11的内部设有进球管15，金属球10通过进球管15进入卡钳13下部，进球管15的外侧铰接有在套筒11内d的卡钳13，卡钳13通过上部的人工挤压会使其下端松开，进而使放置在其下部的金属球10掉落，落入u型轨道4进行演示所需的运动，卡钳13上端与进球管15之间安装有第一弹簧14，第一弹簧14处于松开状态，卡钳13下部处于闭合状态，当人工挤压时，第一弹簧14被压缩，当松开时，第一弹簧14会恢复原状，使卡钳13下方保持闭合状态，卡钳13的下部放置有可随卡钳动作而掉落的金属球10，金属球可随人工挤压卡钳13的动作而掉落，并可在u型轨道4内运动，作为演示的载体。

实施例二，在实施例一的基础上，所述的抽气装置包括与u型轨道4连通的第一通气管6，用来通过抽出的空气，第一通气管6与驱动装置7之间连接有自控装置8，用来随时自动调控u型轨道4内的真空状态，所述的自控装置8包括与第一通气管6连通的第二通气管16，第二通气管16下部装有活塞杆17，活塞杆17的下端连接推力弹簧18，推力弹簧18上部有固定在活塞杆17侧面的导电棒20，导电棒20通过导线连接至驱动装置7，当u型轨道4内为真空状态时，推力弹簧18和作用在活塞杆17上的大气压力保持平衡，推力弹簧18处于拉伸状态，当u型轨道4内混入空气时，活塞杆17会向下移动，连通驱动装置进行抽气操作，使u型轨道内保持真空状态，保证实验验证的准确性。

实施例三，在实施例一的基础上，所述的u型轨道4的侧面设有刻度2，用来清晰明了的观察并记录金属球的高度，u型轨道4的直段下端b、c两点安装有速度传感器3，用来测量并记录金属球通过此处时的速度。

实施例四，在实施例一的基础上，所述的套筒11的外侧设置有可以固定套筒11位置的支架12，当套筒11运动到合适位置后，通过支架12卡紧在u型轨道4的两侧对套筒11进行固定。

实施例五，在实施例一的基础上，所述的u型轨道4的槽底设有与其连通的且可拆卸的取球器9，当一次演示结束后，金属球10会在自重作用下最终停留在u型轨道4的圆弧形槽底，取球器9可以通过旋拧取下，可将停留在槽底的金属球10取出，进行循环操作，取球器9的上端成与u型轨道4圆弧形槽底相配合的圆弧形，二者紧密配合，可以起到很好的密封性和保证u型轨道的平整性。

本发明在具体使用时，首先将整个装置调至水平状态，调整后，将金属球10通过进球管15放入，使金属球10停留在卡钳13的下部，开动抽气装置，将u型轨道4内空气抽出，形成真空，通过上下调节套筒11的位置，使金属球10从不同的高度掉落，记录金属球10的初始高度h,人工操作挤压卡钳13上部，压缩第一弹簧14，使卡钳13下端瞬时松开，并在第一弹簧14的作用下立即闭合，金属球10落下，在u型轨道4内运动，当金属球10运动到b点时，通过速度传感器3记录金属球通过此点的速度v，并通过刻度2记录b点的高度h1，通过公式mg（h-h1）=½mv²,可以验证重力势能转化为动能的过程；

金属球10继续沿u型轨道4运动，通过u型轨道4圆弧段后，当金属球10运动至右侧c点时，通过速度传感器3记录此时的速度v1,并通过刻度2记录c点的高度h2，金属球10通过c点后会继续向上运动，记录金属球10第一次运动到右端最高点时的高度h3,通过公式mg（h3-h2）=½mv1²可再次验证动能转化为重力势能的过程，在金属球10在u型轨道4内运动的过程中，可以通过两侧直段的存在在金属球10一次运动过程两次验证重力势能与动能相互转化的过程。

此外该装置还可以验证当金属球10通过u型轨道4圆弧段时因摩擦所损失的能量与进入圆弧段时的速度有关系，也即验证向心力的大小和速度有关系；由于金属球10在直段下落过程中不受摩擦力的作用，所以所损失的能量都在圆弧段的摩擦作用下，可以通过调节金属球10每次从不同的高度h1落下，可以得出每次所损失的能量δw并不相同，通过公式δw=fs，f=μfn,fn=mv²/r,可以得出δw=μsmv²/r,可以验证通过圆弧段时摩擦力的大小与通过的速度有关，进而可以得出速度越大，向心力越大。

通过以上装置，可以很好的使学生在学习过程中通过金属球下落的高度、运动的速度等一些容易观察的现象更形象的理解重力势能和动能之间的相互转化，并且可以通过运动过程中能量的损失，进而形象的理解向心力与速度之间的关系。

一种多功能物理演示的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将整个装置调至水平状态，调整后，将金属球通过进球管放入，使金属球停留在卡钳的下部，开动抽气装置，将u型轨道内空气抽出，形成真空；

步骤二、上下调节套筒的位置，调整好后，将套筒通过支架固定，记录此时金属球所在的高度h,挤压卡钳上部，压缩弹簧，使卡钳下端瞬时松开，并在弹簧的作用下立即闭合，金属球落下，做自由落体运动；

步骤三、金属球落下后在u型轨道内运动，通过在u型轨道b点的速度传感器记录金属球运动至此处的速度v，并记录b点的高度h1，通过公式mg（h-h1）=½mv²,可以验证重力势能转化为动能的过程；

步骤四、金属球继续沿u型轨道运动，当金属球运动至右侧c点时，通过速度传感器记录此时的速度v1,并记录c点的高度h2；金属球通过c点后会继续向上运动，记录金属球运动到右端最高点时的高度h3,通过公式mg（h3-h2）=½m（v1）²可再次验证动能转化为重力势能的过程；

步骤五、根据步骤三及步骤四中，金属球在一次运动过程中的h1以及h3可得出，金属球在u型轨道圆弧段因摩擦所损失的能量δw=mg（h1-h3）。

根据权利要求6所述的一种多功能物理演示的方法，其特征在于，可以通过调节金属球每次从不同的高度h1落下，可以得出每次所损失的能量δw并不相同，通过公式δw=fs，f=μfn,fn=mv²/r,s=πr,可以得出δw=μπmv²，可以验证通过圆弧段时摩擦力的大小只与通过的速度有关。

本发明结构巧妙，有效的解决了将抽象的能量具体化，减少空气阻力干扰影响演示结果，通过能量验证速度影响向心力的问题。