力的合成教学演示仪的制作方法

本实用新型涉及教学设备领域，尤其是一种力的合成教学演示仪。

背景技术：

我们知道：当多个力(两个及两个以上)的作用效果与一个力的作用效果形同时，那么这一个力(F)就能与这多个力(F₁、F₂···F_n)等效替代。此时可称F₁、F₂···F_n为F的分力，F为F₁、F₂···F_n的合力。通过分力求合力的过程即为“力的合成”。力的合成遵循“平行四边形定则”，、即以表示分力F₁、F₂的线段为邻边作平行四边形，那么，平行四边形的对角线就可以用来表示合力的大小和方向。平行四边形定则是矢量合成的基本方法，是物理学习的重要工具，贯穿于整个中学物理的学习过程中，可见其重要性。

关于力的合成的章节既是一个教学重点，又是一个教学难点。教材上是利用弹簧测力计、橡皮筋、白纸和细线设计实验。具体实验过程是：1、用图钉把橡皮条的一端固定在A点，橡皮条的另一端拴上两个细绳套；2、用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，将结点拉到某一位置O，如图1所示，记录两弹簧秤的读数，用铅笔描下O点的位置及此时两个细绳套的方向，做出力F₁、F₂的图示；3、用一只弹簧测力计钩住细绳套，把橡皮条的结点拉到同样的位置O，记下弹簧测力计的读数F和细绳的方向，做出力F图示；4、以F1和F2为邻边用作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线；5、比较一下合力F与平行四边形对角线的位置关系进而归纳出平行四边形定则。

教材上的实验存在一些问题：1、传统的弹簧测力计自身存在较大摩擦力，通过肉眼读数不精确，精确度不高，实验操作难以保证分力与合力的等效替代；2、若利用学生分组探究实验，实验的过程中需要多人配合，需规范的完成实验步骤和记录数据，并作图表示，学生初次学习，操作不规范，难以保证等效替代，读数和作图误差大，得到实验结论偏差也大；3、教师通过演示实验进行教学，实验过程需要控制两个弹簧测力计，并同时记录数据，难以独自完成实验，需要学生配合，由于弹簧测力计示数小，下面的学生看不见读数，参与度不高，教师注重实验操作，不能关注学生，课堂氛围嘈杂，教学效果不好。

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能够提高教学效果的力的合成教学演示仪。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该力的合成教学演示仪，包括挂钩、可伸缩弹性元件、第一绳索、第二绳索、第一测力计、第二测力计，所述可伸缩弹性元件的上端固定在挂钩上，第一绳索的上端、第二绳索的上端均固定在可伸缩弹性元件的下端，第一绳索的下端与第一测力计固定在一起，第一测力计用于测量第一绳索承受的拉力大小，第二绳索的下端与第二测力计固定在一起，第二测力计用于测量第二绳索承受的拉力大小，所述第一测力计与第二测力计的结构相同，所述第一测力计包括盒体，所述盒体上设置有力传感器、扬声器、电源开关、语音播报按键、归零按键，所述盒体内设置有控制装置，所述控制装置包括控制芯片、语音模块、AD转换模块、充电电池、充电模块，所述充电模块与充电电池的输入端相连，所述充电电池的输出端与控制芯片电连接，所述语音模块、AD转换模块、语音播报按键、归零按键分别与控制芯片连接，所述扬声器与语音模块相连，所述力传感器与AD转换模块相连，所述电源开关设置在充电电池与控制芯片之间，所述盒体的底部设置有磁铁。

进一步的，所述电源开关与控制芯片之间设置有稳压模块。

进一步的，所述稳压模块为LM7805稳压器。

进一步的，所述控制芯片为ARDUINO328P芯片。

进一步的，所述AD转换模块为HX711转换芯片。

进一步的，所述充电电池为锂电池，所述充电模块为SL1053充电芯片。

进一步的，所述语音模块为WT588D语音模块。

进一步的，所述力传感器为应变式传感器，所述可伸缩弹性元件为橡皮筋。

进一步的，所述挂钩上固定有吸铁。

进一步的，所述盒体上设置有把手。

本实用新型的有益效果是：本实用新型所述的力的合成教学演示仪在使用时，先将挂钩固定在黑板上，打开电源开关，待初始化完成后，即可测量力的大小，在进行力的合成教学演示时，先用第一测力计、第二测力计将可伸缩弹性元件任意拉伸一定长度，使第一绳索、第二绳索互成一定夹角，待稳定后，标记可伸缩弹性元件下端点的位置，记为O，由于第一测力计的盒体底部、第二测力计的盒体的底部都设置有磁铁，磁铁可以吸在黑板上进而将盒体固定在黑板上，这样第一测力计、第二测力计就不会在可伸缩弹性元件的弹力作用下移动，之后按下语音播报按键，扬声器就会将测力计测出的力的大小播报出，分别记录下两个力的大小和方向，以F₁、F₂表示，接下来改用一个测力计将可伸缩弹性元件的下端同样拉伸到O点，保证作用效果相同，待稳定后记录下力的大小和方向，记为F，接着用力的图示表示出F₁、F₂、F这三个力，以表示F₁、F₂的线段为邻边做平行四边形，画出平行四边形的对角线，在误差允许范围内，平行四边形的对角线就可以用来表示合力F的大小和方向，该力的合成教学演示仪通过力传感器准确地测量拉力的大小并利用语音播报的形式直观的播报出力的大小，与传统弹簧测力计相比，既排除了系统的摩擦力对实验造成的误差，又减小了读数时的误差，配合可伸缩弹性元件、绳索即可完成实验探究，既可让学生动手探究，也可在黑板平面完成实验演示探究，在传统实验操作的基础上，增添了听觉的感知，眼睛看，耳朵听，提高了学生的参与度，结合磁铁的强吸附性，大大减小了实验误差和操作难度，提高课堂效率，便于学生正确的总结出力的合成规律，可以大大提高中学物理教学效果。

附图说明

图1是现有技术中力的合成教学演示仪的结构示意图；

图2是本实用新型所述力的合成教学演示仪的结构示意图；

图3是本实用新型所述第一测力计的正面结构示意图；

图4是本实用新型所述第一测力计的背面结构示意图；

图5是本实用新型所述控制装置的结构示意图；

图中标示：盒体1、电源开关2、语音播报按键3、归零按键4、力传感器5、扬声器6、把手7、第一绳索8、可伸缩弹性元件9、挂钩10、磁铁11、第二绳索12。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1至5所示，该力的合成教学演示仪，包括挂钩10、可伸缩弹性元件9、第一绳索8、第二绳索12、第一测力计、第二测力计，所述可伸缩弹性元件9的上端固定在挂钩10上，第一绳索8的上端、第二绳索12的上端均固定在可伸缩弹性元件9的下端，第一绳索8的下端与第一测力计固定在一起，第一测力计用于测量第一绳索8承受的拉力大小，第二绳索12的下端与第二测力计固定在一起，第二测力计用于测量第二绳索12承受的拉力大小，所述第一测力计与第二测力计的结构相同，所述第一测力计包括盒体1，所述盒体1上设置有力传感器5、扬声器6、电源开关2、语音播报按键3、归零按键4，所述盒体1内设置有控制装置，所述控制装置包括控制芯片、语音模块、AD转换模块、充电电池、充电模块，所述充电模块与充电电池的输入端相连，所述充电电池的输出端与控制芯片电连接，所述语音模块、AD转换模块、语音播报按键3、归零按键4分别与控制芯片连接，所述扬声器6与语音模块相连，所述力传感器5与AD转换模块相连，所述电源开关2设置在充电电池与控制芯片之间，所述盒体1的底部设置有磁铁11。本实用新型所述的力的合成教学演示仪在使用时，先将挂钩10固定在黑板上，打开电源开关2，待初始化完成后，即可测量力的大小，在进行力的合成教学演示时，先用第一测力计、第二测力计将可伸缩弹性元件9任意拉伸一定长度，使第一绳索8、第二绳索12互成一定夹角，待稳定后，标记可伸缩弹性元件9下端点的位置，记为O，由于第一测力计的盒体1底部、第二测力计的盒体1的底部都设置有磁铁11，磁铁11可以吸在黑板上进而将盒体1固定在黑板上，这样第一测力计、第二测力计就不会在可伸缩弹性元件9的弹力作用下移动，之后按下语音播报按键3，扬声器6就会将测力计测出的力的大小播报出，分别记录下两个力的大小和方向，以F₁、F₂表示，接下来改用一个测力计将可伸缩弹性元件9的下端同样拉伸到O点，保证作用效果相同，待稳定后记录下力的大小和方向，记为F，接着用力的图示表示出F₁、F₂、F这三个力，以表示F₁、F₂的线段为邻边做平行四边形，画出平行四边形的对角线，在误差允许范围内，平行四边形的对角线就可以用来表示合力F的大小和方向，该力的合成教学演示仪通过力传感器5准确地测量拉力的大小并利用语音播报的形式直观的播报出力的大小，与传统弹簧测力计相比，既排除了系统的摩擦力对实验造成的误差，又减小了读数时的误差，配合可伸缩弹性元件9、绳索即可完成实验探究，既可让学生动手探究，也可在黑板平面完成实验演示探究，在传统实验操作的基础上，增添了听觉的感知，眼睛看，耳朵听，提高了学生的参与度，结合磁铁11的强吸附性，大大减小了实验误差和操作难度，提高课堂效率，便于学生正确的总结出力的合成规律，可以大大提高中学物理教学效果。

在上述实施方式中，为了保证控制芯片的供电电压稳定，所述电源开关2与控制芯片之间设置有稳压模块。所述稳压模块可以采用现有的各种稳压电路或稳压器，作为优选的，所述稳压模块优选为LM7805稳压器。

为了使整个装置运行稳定，所述控制芯片优选为ARDUINO328P芯片。

进一步的，所述AD转换模块优选为HX711转换芯片。

为了保证续航，所述充电电池为锂电池，为了保证充电效率，所述充电模块为SL1053充电芯片。

另外，所述语音模块为WT588D语音模块。所述力传感器5为应变式传感器，所述可伸缩弹性元件9为橡皮筋。

为了方便将挂钩10固定在黑板上，所述挂钩10上固定有吸铁。为了方便拿取测力计，所述盒体1上设置有把手7。