牛顿第二定律探究实验仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种牛顿第二定律探究实验仪，包括轨道和可沿轨道长度方向移动的小车，还包括主控制器、时间控制装置、制动装置、电磁铁和电源，所述电磁铁用于驱动制动装置动作，所述主控制器分别与时间控制装置、电磁铁和电源相连接；所述小车的前端设有第一拉绳，后端设有第二拉绳，所述第一拉绳的端部固定有第一配重块，该第一配重块处于竖直悬挂状态；所述第二拉绳穿设在制动装置中，且第二拉绳处于绷直状态；所述小车的上端面上设有第二配重块。该实验仪能够很好地观察拉力、小车重量、小车移动距离三者之间的关系，且在进行多次实验时，能够保证每一次实验时小车移动的时间都相等，即移动时间为一固定量，从而保证实验结果的准确性。
【专利说明】牛顿第二定律探究实验仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种物理教学实验设备，特别是涉及一种牛顿第二定律探究实验仪。
【背景技术】
[0002]牛顿第二定律即牛顿第二运动定律，是指物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同，即F = ma, F为物体受到的力，m为物体质量，a为物体的加速度。牛顿第二定律作为运动学与力学的桥梁，是动力学的核心规律，是研究动力学的基础，在高中阶段的物理学习中占有举足轻重的地位。因此，通过一个成功的实验让学生探究加速度、质量、物体所受力三者间的关系是牛顿第二定律教学过程中一个极其重要的环节。目前，用于探究牛顿第二定律的实验装置主要存在如下弊端:
[0003]1、传统实验装置:
[0004]方式一:采用打点计时器，在多次测量的情况下，需要反复更换纸带进行实验，故操作繁复、费时；
[0005]方式二:采用双轨实验装置，由于不能控制小车每次运动的时间都相同，故不能进行多次测量，从而导致实验不能很好地反映牛顿第二定律；
[0006]方式三:气垫导轨与打点计时器方式类似，只是减小了滑块与小车间的摩擦阻力；
[0007]2、纸带与限位孔间有摩擦，无疑会产生更多的误差，影响实验的准确性；
[0008]3、实验数据的计算较为困难，浪费课堂时间；
[0009]4、三种方式所用器材较多，操作不方便，特别是运动物体制动困难，是实验最大的操作困难；
[0010]5、实验不易成功，在容易失败的情况大大下降低课堂效率。
实用新型内容
[0011]鉴于以上所述现有技术的缺陷和各种不足之处，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种能够保证每次进行实验时小车运动的时间都一致的牛顿第二定律探究实验仪。
[0012]为实现上述目的，本实用新型提供一种牛顿第二定律探究实验仪，包括轨道和可沿轨道长度方向移动的小车，还包括主控制器、时间控制装置、制动装置、电磁铁和电源，所述电磁铁用于驱动制动装置动作，所述主控制器分别与时间控制装置、电磁铁和电源相连接；所述小车的前端设有第一拉绳，后端设有第二拉绳，所述第一拉绳的端部固定有第一配重块，该第一配重块处于竖直悬挂状态；所述第二拉绳穿设在制动装置中，且第二拉绳处于绷直状态；所述小车的上端面上设有第二配重块。
[0013]进一步地，还包括一水平台，所述轨道的前端设有支撑单元，后端设有一控制箱，所述轨道通过支撑单元和控制箱支承在水平台上；所述主控制器、制动装置、电磁铁固定在控制箱内，所述时间控制装置固定在控制箱的上端面上。
[0014]优选地，所述时间控制装置包括壳体、设在壳体内的控制芯片，所述壳体的外壁上设有电子显示屏、定时按钮、状态显示灯以及启动按钮，所述电子显示屏、定时按钮、状态显示灯和启动按钮均与控制芯片相连接。
[0015]进一步地，所述制动装置包括上连杆、下连杆、以及相对设置的上刹车片和下刹车片，所述上刹车片的下端面和下刹车片的上端面上均固定有橡胶片，所述第二拉绳位于两片橡胶片之间；所述上连杆和上刹车片固定在控制箱的内壁上，所述下连杆穿设在电磁铁的铁芯和下刹车片中，所述上连杆的两端与下连杆的两端之间设有两个弹簧；当电磁铁通电时，上刹车片和下刹车片相分离，所述弹簧被拉伸；当电磁铁断电时，弹簧的弹力带动下刹车片向上移动，上刹车片和下刹车片相贴合。
[0016]优选地，还包括一位于上刹车片下端前侧的限位环，该限位环固定在控制箱的内壁上，所述第二拉绳穿设在该限位环中。
[0017]优选地，还包括一竖直穿设在控制箱中、且可上下移动的复位杆，该复位杆的上端固定有一位于控制箱外部的复位按钮，下端抵靠在电磁铁的铁芯上。
[0018]进一步地，所述支撑单元包括支撑块、两个螺母和两根螺杆，所述支撑块的左右两侧均设有一衬板，两根螺杆分别穿设在两块衬板中、且与衬板螺纹配合，两个螺母分别固定在两根螺杆的上端。
[0019]进一步地，所述轨道的前端设有一滑轮，所述第一拉绳从该滑轮的上表面上绕过。
[0020]优选地，所述轨道的侧壁上设有零刻度和刻度线，所述刻度线用于表示小车的移动距离。
[0021 ] 优选地，所述轨道有且仅有一根。
[0022]本实用新型涉及的牛顿第二定律探究实验仪具有以下有益效果:
[0023]该实验仪能够很好地观察拉力、小车重量、小车移动距离三者之间的关系，故能够为学生提供一个关于牛顿第二定律的直观展示，从而便于学生更好地掌握和明白牛顿第二定律的原理，另外，该实验仪在进行多次实验时，能够保证每一次实验时小车移动的时间都相等，即移动时间为一固定量，从而保证实验结果的准确性。
[0024]上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图对本专利进行详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本实用新型的结构示意图。
[0026]图2为图1的侧视图。
[0027]图3为本实用新型中时间控制装置的结构示意图。
[0028]图4为本实用新型中制动装置的结构示意图。
[0029]图5为本实用新型中支撑单元的结构示意图。
[0030]图6为图4的A圈放大图。
[0031]元件标号说明
[0032]I轨道
[0033]2小车
[0034]3时间控制装置
[0035]31壳体
[0036]32电子显示屏
[0037]33定时按钮
[0038]34状态显示灯
[0039]35启动按钮
[0040]4电磁铁
[0041]41铁芯
[0042]5制动装置
[0043]51上连杆
[0044]52下连杆
[0045]53上刹车片
[0046]54下刹车片
[0047]55橡胶片
[0048]56弹簧
[0049]57限位环
[0050]58复位杆
[0051]59复位按钮
[0052]6第一拉绳
[0053]7第二拉绳
[0054]8第一配重块
[0055]9第二配重块
[0056]10水平台
[0057]11支撑单元
[0058]111支撑块
[0059]112螺母
[0060]113螺杆
[0061]114衬板
[0062]12控制箱
[0063]13滑轮
[0064]14刻度线
【具体实施方式】
[0065]下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细介绍。
[0066]牛顿第二定律为F = ma,故牛顿第二定律研究实验仪主要是探究加速度a、小车质量m和小车受的拉力F三者之间的关系；另外，由S 二-W2可知，在时间一定的前提下，小车的加速度a与小车的移动距离S成正比。故可通过小车移动距离S、小车质量m和小车受的拉力F三者的关系来探究牛顿第二定律，即当小车受的拉力F —定时，若小车质量m与小车移动距离S成反比，则说明小车质量m与小车的加速度a成反比；同理，当小车质量m —定时，若小车移动距离S与小车受的拉力F成正比，则说明小车的加速度a与拉力F成正比。
[0067]为此，本申请将每次实验的时间设为一固定值，将实验时间量化，如图1和图2所示，本实用新型提供涉及的牛顿第二定律探究实验仪包括轨道I和可沿轨道I长度方向移动的小车2，还包括主控制器、时间控制装置3、制动装置5、电磁铁4和电源，所述电磁铁4用于驱动制动装置5动作，所述主控制器分别与时间控制装置3、电磁铁4和电源相连接；所述小车2的前端设有第一拉绳6，后端设有第二拉绳7，所述第一拉绳6的端部固定有第一配重块8，该第一配重块8处于竖直悬挂状态；所述第二拉绳7穿设在制动装置5中，且第二拉绳7处于绷直状态；所述小车2的上端面上设有第二配重块9。
[0068]该实验仪在探究牛顿第二定律时，所述第一配重块8处于竖直悬挂状态，故第一配重块8通过第一拉绳6为小车2提供拉力F ;第二配重块9置于小车2的上端面上，从而为小车2提供质量m，故可通过改变第一配重块8和第二配重块9的重量来改变拉力F和质量m ;同时，所述时间控制装置3用于设定每次小车2的移动时间，移动时间达到设定值后，则主控制器驱动电磁铁4动作，从而驱动制动装置5动作，使小车2停止移动，从而实现制动装置5与时间控制装置3的同步，保证小车2每次移动的时间都一致，进而为牛顿第二定律的实验结论的得出提供科学依据，以便于学生探究小车2移动距离S、小车2质量m和小车2受的拉力F三者之间的关系，以便于更好更直观地明白、掌握牛顿第二定律的原理。优选地，所述轨道I有且仅有一根，以简化实验仪，使操作更加方便。
[0069]另外，本实施例中，所述第一配重块8和第二配重块9均为砝码，且第一配重块8为多个1g的砝码，第二配重块9为多个200g的砝码，且为了防止小车2在移动过程中第二配重块9发生晃动，故在小车2的顶面上设置有多个凹槽，所述第二配重块9的下端置于凹槽中。所述小车2的前端和后端均设有一挂环，所述第一拉绳6和第二拉绳7分别通过挂环与小车2的前端和小车2的后端相连接。
[0070]进一步地，如图1所示，还包括一水平台10，所述轨道I的前端设有支撑单元11，后端设有一控制箱12，所述轨道I通过支撑单元11和控制箱12支承在水平台10上；所述主控制器、制动装置5、电磁铁4固定在控制箱12内，所述时间控制装置3固定在控制箱12的上端面上，所述第一配重块8位于水平台10的前侧。所述支撑单元11和控制器分别支撑轨道I的前后两端，使轨道I与水平台10相脱离，保证小车2的正常行进。优选地，所述轨道I的前端设有一滑轮13，所述第一拉绳6从该滑轮13的上表面上绕过，以减小第一拉绳6运动时的摩擦，以使小车2移动更加平稳。
[0071]优选地，如图1和图5所示，所述支撑单元11包括支撑块111、两个螺母112和两根螺杆113，所述支撑块111的左右两侧均设有一衬板114，两根螺杆113分别穿设在两块衬板114中、且与衬板114螺纹配合，两个螺母112分别固定在两根螺杆113的上端。通过旋转螺母112可调节螺杆113在衬板114下端的高度，从而可调节整个支撑单元11的高度，即调节轨道I的倾斜角度，直至小车2的重量平衡掉小车2在移动过程中与轨道I之间的动摩擦力，从而严格保证小车2只在拉力F的作用下向前做匀加速直线运动，保证牛顿第二定律实验结果的准确性。
[0072]优选地，见图3，所述时间控制装置3包括壳体31、设在壳体31内的控制芯片，所述壳体31的外壁上设有电子显示屏32、定时按钮33、状态显示灯34以及启动按钮35，所述电子显示屏32、定时按钮33、状态显示灯34和启动按钮35均与控制芯片相连接。所示电子显示屏32用于显示所设置的时间等；所示定时按钮33包括时间增加“▲”键和时间减少“ ▼”键，按下时间增加“▲”键则用于增加控制时间，按下时间减少“ ▼”键则用于减少控制时间；所述状态显示灯34包括运行指示灯和停止指示灯，用于显示时间控制装置3的工作情况，当运行指示灯亮时，表示时间控制装置3在工作，当停止指示灯亮时，表示时间控制器没有工作；所述启动按钮35用于驱动时间控制装置3开始工作。故本申请中的时间控制装置3采用单片机控制器，能够根据轨道I的长度任意调节控制时间的长短，即调节小车2的移动时间，如将时间t调节为I秒、2秒等，准确可罪，有效提闻实验结果的准确性；且每次调节完毕后无需重新设置控制时间，时间控制装置3会自动复位，因此可以方便地进行下一次实验操作。
[0073]进一步地,如图4和图6所示,所述制动装置5包括上连杆51、下连杆52、以及相对设置的上刹车片53和下刹车片54，所述上刹车片53的下端面和下刹车片54的上端面上均固定有橡胶片55，所述第二拉绳7位于两片橡胶片55之间；所述上连杆51和上刹车片53固定在控制箱12的内壁上，所述下连杆52穿设在电磁铁4的铁芯41和下刹车片54中，所述上连杆51的两端与下连杆52的两端之间设有两个弹簧56。当电磁铁4通电时，电磁铁4的铁芯41带动下刹车片54向下移动，从而使上刹车片53和下刹车片54相分离，所述弹簧56被拉伸，此时小车2为运动的状态；当控制时间达到预设值后，则主控制控制电磁铁4断电，此时，弹簧56的弹力带动下刹车片54向上移动，故上刹车片53和下刹车片54相贴合，从而将第二拉绳7固定夹持在两片橡胶片55之间，以制动小车2，使小车2停止移动，故该制动装置5制动试验非常容易，从而增强实验的操控性。
[0074]优选地，见图4，还包括一位于上刹车片53下端前侧的限位环57，该限位环57固定在控制箱12的内壁上，所述第二拉绳7穿设在该限位环57中，以保证第二拉绳7在规定的范围内运动。
[0075]优选地，还包括一竖直穿设在控制箱12中、且可上下移动的复位杆58，该复位杆58的上端固定有一位于控制箱12外部的复位按钮59，下端抵靠在电磁铁4的铁芯41上。所述轨道I的侧壁上设有零刻度和刻度线14，所述刻度线14用于表示小车2的移动距离。在一次实验结束后，按下复位按钮59，则复位杆58在压力的作用下向下移动，从而迫使电磁铁4的铁芯41和下刹车片54 —起向下移动，此时可直接通过拉动第二拉绳7将小车2拉回至零刻度线处，以便于下次实验的进行；小车2复位至零刻度线后，松开复位按钮59，即可直接进行下一次实验，操作十分方便快捷。
[0076]该牛顿第二定律探究实验仪的操作步骤如下:
[0077]1、将器材放在水平台10上，调节螺母112，平衡小车2在轨道I上受到的摩擦力；
[0078]2、按住复位按钮59，拉动控制箱12外部的第二拉绳7，使小车2回到轨道I的零刻度线处，释放复位按钮59;
[0079]3、在第一拉绳6的未端挂上I个小钩码10g，为小车2提供一定的拉力F ；
[0080]4、按下释放启动按钮35 ；
[0081]5、记录小车2运动的位移S ；
[0082]6、重复步骤2、3、4、5，测四次取S的平均值。
[0083]7、用控制变量法改变拉力F，即改变挂小钩码的个数；或改变小车2总质量m，即在小车2上放200克钩码I个或2个，以进行探究实验，并记录相应数据，直到完成实验。
[0084]上述操作步骤中，时间控制装置3已将控制时间设为为I秒，也可根据需要调整控制时间。
[0085]实验结果如下:
[0086]一、小车2质量保持不变，改变悬挂钩码的个数来改变小车2所受外力，分别挂上1g的钩码I个、2个、3个，测量小车2通过的位移S每种情况做4次，记录数据如表一所示。
[0087]m = 200g, t = Is,重力加速度为 10N/Kg
[0088]表一:
【权利要求】
1.一种牛顿第二定律探究实验仪，包括轨道(I)和可沿轨道(I)长度方向移动的小车(2)，其特征在于:还包括主控制器、时间控制装置(3)、制动装置(5)、电磁铁(4)和电源，所述电磁铁(4)用于驱动制动装置(5)动作，所述主控制器分别与时间控制装置(3)、电磁铁(4)和电源相连接；所述小车(2)的前端设有第一拉绳(6)，后端设有第二拉绳(7)，所述第一拉绳(6)的端部固定有第一配重块(8)，该第一配重块(8)处于竖直悬挂状态；所述第二拉绳(7)穿设在制动装置(5)中，且第二拉绳(7)处于绷直状态；所述小车(2)的上端面上设有第二配重块(9)。
2.根据权利要求1所述的牛顿第二定律探究实验仪，其特征在于:还包括一水平台(10)，所述轨道(I)的前端设有支撑单元(11)，后端设有一控制箱(12)，所述轨道(I)通过支撑单元(11)和控制箱(12)支承在水平台(10)上；所述主控制器、制动装置(5)、电磁铁(4)固定在控制箱(12)内，所述时间控制装置(3)固定在控制箱(12)的上端面上。
3.根据权利要求1或2所述的牛顿第二定律探究实验仪，其特征在于:所述时间控制装置(3)包括壳体(31)、设在壳体(31)内的控制芯片，所述壳体(31)的外壁上设有电子显示屏(32)、定时按钮(33)、状态显示灯(34)以及启动按钮(35)，所述电子显示屏(32)、定时按钮(33)、状态显示灯(34)和启动按钮(35)均与控制芯片相连接。
4.根据权利要求2所述的牛顿第二定律探究实验仪，其特征在于:所述制动装置(5)包括上连杆(51)、下连杆(52)、以及相对设置的上刹车片(53)和下刹车片(54)，所述上刹车片(53)的下端面和 下刹车片(54)的上端面上均固定有橡胶片(55)，所述第二拉绳(7)位于两片橡胶片(55)之间；所述上连杆(51)和上刹车片(53)固定在控制箱(12)的内壁上，所述下连杆(52)穿设在电磁铁(4)的铁芯(41)和下刹车片(54)中，所述上连杆(51)的两端与下连杆(52)的两端之间设有两个弹簧(56);当电磁铁(4)通电时，上刹车片(53)和下刹车片(54)相分离，所述弹簧(56)被拉伸；当电磁铁(4)断电时，弹簧(56)的弹力带动下刹车片(54)向上移动，上刹车片(53)和下刹车片(54)相贴合。
5.根据权利要求4所述的牛顿第二定律探究实验仪，其特征在于；还包括一位于上刹车片(53)下端前侧的限位环(57)，该限位环(57)固定在控制箱(12)的内壁上，所述第二拉绳(7)穿设在该限位环(57)中。
6.根据权利要求4所述的牛顿第二定律探究实验仪，其特征在于:还包括一竖直穿设在控制箱(12)中、且可上下移动的复位杆(58)，该复位杆(58)的上端固定有一位于控制箱(12)外部的复位按钮(59)，下端抵靠在电磁铁(4)的铁芯(41)上。
7.根据权利要求2所述的牛顿第二定律探究实验仪，其特征在于:所述支撑单元(11)包括支撑块(111)、两个螺母(112)和两根螺杆(113)，所述支撑块(111)的左右两侧均设有一衬板(114)，两根螺杆(113)分别穿设在两块衬板(114)中、且与衬板(114)螺纹配合，两个螺母(112)分别固定在两根螺杆(113)的上端。
8.根据权利要求1所述的牛顿第二定律探究实验仪，其特征在于:所述轨道(I)的前端设有一滑轮(13)，所述第一拉绳(6)从该滑轮(13)的上表面上绕过。
9.根据权利要求1所述的牛顿第二定律探究实验仪，其特征在于:所述轨道(I)的侧壁上设有零刻度和刻度线(14)，所述刻度线(14)用于表示小车(2)的移动距离。
10.根据权利要求1所述的牛顿第二定律探究实验仪，其特征在于:所述轨道(I)有且仅有一根。
【文档编号】G09B23/10GK203858788SQ201420280337
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】陈江政 申请人:陈江政