牛顿第二运动定律实验装置的制作方法

本实用新型涉及实验器材技术领域，尤其指一种牛顿第二运动定律实验装置。

背景技术：

在高中物理教材中的牛顿第二运动定律实验演示装置是由具有一定质量的小车、与小车配置使用的牵拉绳、定滑轮、砝码以及打点计时器等构成，使用时须将小车放置在一块光滑木板上，木板的一端安装定滑轮，另一端固定打点计时器，小车的一端用细线绕过定滑轮并拴住砝码，小车的另一端用细绳拴有纸带，纸带穿过打点计时器，通过纸带上的打点记录出相关数据，然后在小车质量不变的情况下改变牵引力的大小来验证牛顿第二定律（F=ma）中牵引力大小与加速度大小的关系（即m不变时，F与a是成正比的关系），或者在牵引力大小不变的情况下改变小车质量来验证牛顿第二定律（F=ma）中物体质量与加速度大小的关系（即F不变时，m与a是成反比的关系）。虽然上述演示装置理论上可以帮助学生对牛顿第二运动定律有一个定量的认识，然而目前在教学应用过程中的普遍状况是：学校购入了演示仪器，老师却不愿意在实际教学中使用。原因在于：一、实验过程中需要注意的点较多，一旦出现失误操作，整个实验就需要重新开始，这对于一节物理课40-45分钟来说，时间往往是不够的；二、由于仪器自身及操作误差，实验结果往往与理论值存在偏差，并不能完全达到定量认识的目的。三、一旦偏差过大导致实验失败，会导致学生理解混乱。实际上老师课堂演示时只需要让学生对牛顿第二运动定律有个定性认识就可以了，定量认识的教学目的可以通过课后或者时间较长（连续两节小课）的实验课让学生自己动手来达成，基于上述思路，设计一种帮助学生定性认识牛顿第二运动定律的实验演示装置就显得很有必要。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种牛顿第二运动定律实验装置，其操作简捷，无需利用打点计时器记录数据，可直观看出牛顿第二定律中牵引力大小与加速度大小及质量之间的关系，能够帮助学生定性认识该物理学定律。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：牛顿第二运动定律实验装置，包括由上往下依次设置且相互平行的上层轨道、中层轨道及下层轨道，所述上层轨道的长度大于中层轨道的长度，所述中层轨道的长度大于下层轨道的长度，所有轨道上均设有小车，所述小车的后端连接有拉绳，所有轨道的前端均设有定滑轮，所述小车的前端连接有牵引绳，所述牵引绳绕设在定滑轮上，所述牵引绳上吊着一个可放置钩码的有底筒状部件，所有轨道的后端设有用于同时释放或拉紧所有拉绳的拉绳控制机构。

其中，所述拉绳控制机构包括设于各轨道后端的安装板和锁止杆，所述安装板上由上往下依次水平开设有三个供拉绳穿过的第一穿线孔，所述锁止杆上由上往下依次水平开设有三个供拉绳穿过的第二穿线孔，所述安装板上由上往下还依次设有三个锁止座且各锁止座上均竖直开设有供锁止杆穿过的通孔，所述锁止杆从通孔中竖直穿过各锁止座，所述拉绳从第一穿线孔和第二穿线孔中穿出，所述锁止杆外部套设有第一弹簧，所述锁止杆的顶端设有限位端头，所述第一弹簧位于限位端头与最上方的锁止座之间，所述锁止杆的底端设有用于防止其从最下方锁止座的通孔中脱出的限位挡圈，在所述第一弹簧的弹力作用下，所述第二穿线孔与对应锁止座的通孔发生错位，将所述拉绳夹住。

进一步，所述锁止杆上通过螺纹连接有三个螺帽，每个螺帽对应设置于一个第二穿线孔下方，往上旋动所述螺帽可使第二穿线孔的出口变小，在所述第一弹簧的弹力作用下，所述第二穿线孔与对应锁止座的通孔发生错位，之后所述拉绳被螺帽的顶端面以及锁止座的底端面夹住。

优选的，所述拉绳控制机构还包括电磁铁以及用于控制电磁铁电流通断的控制器，所述锁止杆上安装有可被电磁铁吸住的导磁部件，所述电磁铁通电时，所述电磁铁对导磁部件产生的磁吸力使得锁止杆向下移动释放拉绳；所述电磁铁断电时，在所述第一弹簧弹力作用下，所述锁止杆向上移动，所述第二穿线孔与对应锁止座的通孔发生错位，使得所述拉绳再次被夹住。

更优选的，所有轨道的前端均设有用于释放或夹住牵引绳的牵引绳控制机构，所述牵引绳控制机构连接所述控制器，所述控制器控制牵引绳控制机构与拉绳控制机构同步执行夹住或释放动作。

其中，所述小车的前端面上开设圆孔并设有磁块，所有轨道的前端均设有限位座，所述限位座的后端设有套管，所述套管内设有磁铁，所述套管的后端设有缓冲垫，所述套管内还设有一根水平贯穿磁铁及缓冲垫并往外伸出的柱形销棒，当所述小车运行至轨道前端时，所述柱形销棒插入圆孔中，所述小车继续前行撞上缓冲垫，所述缓冲垫被压缩，在所述磁铁与磁块之间磁吸力作用下，最后所述小车抵靠在缓冲垫上并被固定。

优选的，所述柱形销棒外部套设有第二弹簧，所述第二弹簧位于套管内部，所述第二弹簧前端抵靠住限位座、后端抵靠住磁铁，所述套管的外周面上沿其轴线方向开设有一条形通孔，所述磁铁上固定连接有一拨杆，所述拨杆的顶端穿过条形通孔往上伸出，拨动所述拨杆让磁铁远离磁块，可使得所述磁铁与磁块之间的磁吸力变小。

进一步，所述磁铁的外周面上设有限位台阶，所述套管的内周面上设有与限位台阶相配合的限位凸缘，所述限位台阶抵靠住限位凸缘后，所述磁铁的后端面与套管的后端面平齐。

优选的，所述下层轨道的底部设有一可收折的定位板，所述定位板的顶端铰接在下层轨道前端，所述下层轨道的底部设有用于收纳定位板的凹槽。

同样优选的，所述上层轨道、中层轨道及下层轨道的侧壁上均设有刻度尺，所述小车上设有若干个可放置钩码的储物槽。

本实用新型的有益效果在于：实验时用其中一个轨道上的小车作参照实验，例如可以吊一个钩码做基础牵引力，同时小车也不增加质量，然后在另外两个轨道上进行相应的变量实验，例如一个只增加吊着的钩码质量用于增大牵引力，而另一个只增大小车的质量，通过拉绳控制机构同时释放三条拉绳，即同时启动三个小车，并在一定时间内可同时夹住三条拉绳，即同时停止三个小车，此时通过观察各个小车的行驶距离的差距就可以对牛顿第二定律中各变量之间的关系有个定性认识，例如增加了钩码增大牵引力的小车行驶距离比参照实验中小车行驶的距离更远，而加速度的大小决定了同样时间内小车行驶距离的长远，由此可知，在质量不变的情况下，增大牵引力后，小车的加速度增大了，即在质量不变的情况下，牵引力与加速度成正比。而在牵引力不变的情况下，增加了质量的小车行驶距离比参照实验中小车行驶的距离更短，由此可知，在牵引力不变的情况下，质量与加速度成反比。这样的实验结果一目了然，效果直观，学生很容易就会对牛顿第二运动定律有了定性的理解，并且上述实验过程操作简单、耗时短、成功率高，非常适合高中教师在40-45分钟的物理课上进行教学演示。

附图说明

图1为本实用新型实施例的整体结构示意图；

图2为图1中A部位的放大图；

图3为图1中B部位的放大图；

图4为实施例中拉绳被拉绳控制机构夹住时的示意图；

图5为实施例中小车的整体结构示意图；

图6为实施例中套管的内部结构示意图。

图中：

1——上层轨道 2——中层轨道 3——下层轨道

4——小车 4a——圆孔 4b——磁块

4c——限位座 4d——套管 4e——磁铁

4f——缓冲垫 4g——柱形销棒 4h——第二弹簧

4i——拨杆 5——钩码 6——牵引绳

7——拉绳 8——定滑轮 9——拉绳控制机构

9a——安装板 9a1——第一穿线孔 9a2——锁止座

9b——锁止杆 9b1——第二穿线孔 9b2——限位端头

9b3——挡圈 9b4——螺帽 9c——第一弹簧

9d——电磁铁 10——牵引绳控制机构 11——定位板。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步的说明。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解所述术语的具体含义。

如图1-6所示，一种牛顿第二运动定律实验装置，包括由上往下依次设置且相互平行的上层轨道1、中层轨道2及下层轨道3，上层轨道1的长度大于中层轨道2的长度，中层轨道2的长度大于下层轨道3的长度，所有轨道上均设有小车4，小车4的后端连接有拉绳7，所有轨道的前端均设有定滑轮8，小车4的前端连接有牵引绳6，牵引绳6绕设在定滑轮8上，牵引绳6上吊着一个可放置钩码5的有底筒状部件，所有轨道的后端设有用于同时释放或拉紧所有拉绳7的拉绳控制机构9。

上述实施方式提供的牛顿第二运动定律实验装置在实验时可以用其中一个轨道上的小车4作参照实验，例如可以吊一个钩码做基础牵引力，同时小车4也不增加质量，然后在另外两个轨道上进行相应的变量实验，例如一个只增加吊着的钩码质量用于增大牵引力，而另一个只增大小车4的质量，通过拉绳控制机构9同时释放三条拉绳7，即同时启动三个小车4，并在一定时间内可同时夹住三条拉绳7，即同时停止三个小车4，此时通过观察各个小车4的行驶距离的差距就可以对牛顿第二定律中各变量之间的关系有个定性认识，例如增加了钩码增大牵引力的小车4行驶距离比参照实验中小车4行驶的距离更远，而加速度的大小决定了同样时间内小车4行驶距离的长远，由此可知，在质量不变的情况下，增大牵引力后，小车4的加速度增大了，即在质量不变的情况下，牵引力与加速度成正比。而在牵引力不变的情况下，增加了质量的小车4行驶距离比参照实验中小车4行驶的距离更短，由此可知，在牵引力不变的情况下，质量与加速度成反比。这样的实验结果一目了然，效果直观，学生很容易就会对牛顿第二运动定律有了定性的理解，并且上述实验过程操作简单、耗时短、成功率高，非常适合高中教师在40-45分钟的物理课上进行教学演示。

进一步，如图2-4所示，拉绳控制机构9包括设于各轨道后端的安装板9a和锁止杆9b，安装板9a上由上往下依次水平开设有三个供拉绳7穿过的第一穿线孔9a1，锁止杆9b上由上往下依次水平开设有三个供拉绳7穿过的第二穿线孔9b1，安装板9a上由上往下还依次设有三个锁止座9a2且各锁止座9a2上均竖直开设有供锁止杆9b穿过的通孔，锁止杆9b从通孔中竖直穿过各锁止座9a2，拉绳7从第一穿线孔9a1和第二穿线孔9b1中穿出，锁止杆9b外部套设有第一弹簧9c，锁止杆9b的顶端设有限位端头9b2，第一弹簧9c位于限位端头9b2与最上方的锁止座9a2之间，锁止杆9b的底端设有用于防止其从最下方锁止座9a2的通孔中脱出的限位挡圈9b3，在第一弹簧9c的弹力作用下，第二穿线孔9b1与对应锁止座9a2的通孔发生错位，将拉绳7夹住。上述拉绳控制机构9可稳定的夹紧各条拉绳7，并且按下限位端头9b2可使各条拉绳7同时释放，而松开限位端头9b2又能重新夹紧各条拉绳7，从而保证各个轨道上的小车4能进行同步实验。

进一步，在锁止杆9b上通过螺纹连接有三个螺帽9b4，每个螺帽9b4对应设置于一个第二穿线孔9b1下方，往上旋动螺帽9b4可使第二穿线孔9b1的出口变小，在第一弹簧9c的弹力作用下，第二穿线孔9b1与对应锁止座9a2的通孔发生错位，之后拉绳7被螺帽9b4的顶端面以及锁止座9a2的底端面夹住。通过在锁止杆9b上设置三个螺帽9b4可以对第二穿线孔9b1的出口大小进行调整，从而避免因制造误差导致三个孔中的拉绳7无法通知夹住/释放的问题。

更进一步，拉绳控制机构9还包括电磁铁9d以及用于控制电磁铁9d电流通断的控制器，锁止杆9b上安装有可被电磁铁9d吸住的导磁部件，电磁铁9d通电时，电磁铁9d对导磁部件产生的磁吸力使得锁止杆9b向下移动释放拉绳7；电磁铁9d断电时，在第一弹簧9c弹力作用下，锁止杆9b向上移动，第二穿线孔9b1与对应锁止座9a2的通孔发生错位，使得拉绳7再次被夹住。设置控制器以及电磁铁9b后，使得拉绳控制机构9的动作响应地更加迅速，既可预设小车4在轨道上行驶的时间，又可避免因操作不慎来不及关闭拉绳控制机构9导致各小车4都行驶至轨道前端的情况。需要说明的是，本领域技术人员应当明白，本实用新型并不涉及控制器对电磁铁9b控制方式及控制程序的改进，现有技术中存在多种通过控制器控制电磁铁9b通断的电路结构及控制程序，为简化表述，在本申请中不作赘述。

作为一种优选的方案，所有轨道的前端均设有用于释放或夹住牵引绳6的牵引绳控制机构10，牵引绳控制机构10连接所述控制器，控制器控制牵引绳控制机构10与拉绳控制机构9同步执行夹住或释放动作。本实施例中的牵引绳控制机构10可以采用与拉绳控制机构9相同的结构，在此不再赘述，这样同时对牵引绳6和拉绳7都进行固定可以保证小车4更稳定的停留在轨道上，避免因后端夹紧力不够导致溜车的情况。

在上述实施例中，如图5及图6所示，还可以在小车4的前端面上开设圆孔4a并设置磁块4b，所有轨道的前端均设有限位座4c，限位座4c的后端设有套管4d，套管4d内设有磁铁4e，套管4d的后端设有缓冲垫4f，套管4d内还设有一根水平贯穿磁铁4e及缓冲垫4f并往外伸出的柱形销棒4g，当小车4运行至轨道前端时，柱形销棒4g插入圆孔4a中，小车4继续前行撞上缓冲垫4f，缓冲垫4f被压缩，在磁铁4e与磁块4b之间磁吸力作用下，小车4抵靠在缓冲垫4f上并被固定。设置限位座4c的目的是避免小车在牵引力作用下一直往前运动从轨道上掉下，通过磁铁4e、磁块4b及柱形销棒4g可以对小车4进行定位固定，而在磁铁4e与磁块4b之间设置缓冲垫4f可以避免磁铁4e与磁块4b因剧烈撞击损坏。

进一步，如图6所示，还可以在柱形销棒4g外部套设第二弹簧4h，第二弹簧4h位于套管4d内部，第二弹簧4h前端抵靠住限位座4c、后端抵靠住磁铁4e，套管4d的外周面上沿其轴线方向开设有一条形通孔，磁铁4e上固定连接有一拨杆4i，拨杆4i的顶端穿过条形通孔往上伸出，拨动拨杆4i让磁铁4e远离磁块4b，可使得磁铁4e与磁块4b之间的磁吸力变小。这样设计的目的是便于将小车4从柱形销棒4g上更轻松退出。其中，磁铁4e的外周面上设有限位台阶，套管4d的内周面上设有与限位台阶相配合的限位凸缘，限位台阶抵靠住限位凸缘后，磁铁4e的后端面与套管4d的后端面平齐。当第二弹簧4h回弹时，磁铁4e移动至套管4d的后端，限位台阶抵靠限位凸缘从而防止磁铁4e碰撞缓冲垫4f，这样可避免磁铁4e撞破缓冲垫4f并从套管4d内冲出。

作为一种优选的实施方案，下层轨道3的底部设有一可收折的定位板11，定位板11的顶端铰接在下层轨道3前端，下层轨道3的底部设有用于收纳定位板11的凹槽。实验开始之前将定位板11从凹槽中向外翻出至竖直状态，利用定位板11抵靠实验桌的侧沿可快速地将该实验装置摆放到适合进行实验的位置，从而防止钩码5下落时触碰到实验桌。同样优选的，还可以在上层轨道1、中层轨道2及下层轨道3的侧沿均设置刻度尺（附图中未示出），可在需要时采集实验过程中小车4的位移数据，从而进行更精确的推算，还可以在小车4上设置若干个可放置钩码5的储物槽，便于直接使用钩码5来增加小车4的质量。

上述实施例为本实用新型较佳的实现方案，除此之外，本实用新型还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本实用新型的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本实用新型相对于现有技术的改进之处，本实用新型的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本实用新型的内容。