一种竖直抽拉式三维调节定量验证锥体上滚条件实验仪的制作方法

本发明专利涉及实验仪，尤其涉及一种竖直抽拉式三维调节定量验证锥体上滚条件实验仪。

背景技术：

锥体上滚实验仪是大、中学校用来验证机械能守恒定律的一种演示性实验仪器。资料显示，全国大、中学校物理实验室的锥体上轨实验仪遍布采用底座上固定两个关于中心线为对称的固定导轨，采用一个固定尺寸的双圆锥体只能做演示性实验。这种演示形式仅满足锥体上滚条件无数种状态的某一种状态。该装置只能通过演示双圆锥体上轨过程演示给学生看，尽管也是通过双圆锥体重心由高到低变化，从锥体上滚所产生的视角效果来演示重力做功，使之重力势能转化为动能来验证机械能守恒定律。但是，从培养学生能力方面远远无法达到预期目标，很难从实验原理和双锥体上滚运动机理角度，从更高、更深层次上理解锥体上滚的本质和内涵，更无法让学生通过动手设计来完成该实验。为此，申请者于2012年1月18日申请到专利号为ZL201120221352.1的“三维可调式锥体上滚设计性实验仪”实用新型专利，在双导轨对称转动一定角度，采用了球体机械转动形式来改变两轨道平面倾角，由于这种球体结构制造工艺相对麻烦，造价也相对较高，又于2013年3月20日申请到专利号为ZL201220433596.0的“模块化全方位可调式定量验证锥体上滚条件实验仪”实用新型专利，为了改变导轨倾角，使竖直主轴降低，而采用了模块化结构，为竖直轴降低高度的准确测量带来困难，精度不高误差大。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种能够准确改变导轨倾角，进一步提高实验精度的竖直抽拉式三维调节定量验证锥体上滚条件实验仪。

为实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：

竖直抽拉式三维调节定量验证锥体上滚条件实验仪，包括：支撑腿、底座、调平水平泡、始端支撑腿脚、底座中线刻度尺、两导轨初始位置投影线、左导轨末端支撑腿脚、左支撑腿游标尺、右支撑腿脚、右支撑腿游标尺、导轨末端支撑腿滑槽、指示支撑腿位置主尺、左导轨和右导轨；

在底座下面设置支撑腿，在底座上表面设置调平水平泡，在底座左端设置有始端支撑腿脚；始端支撑腿脚上端和左导轨及右导轨的一端活动连接；

左导轨的另一端设置有左支撑腿，右导轨的另一端设置有右支撑腿，左支撑腿脚和右支撑腿脚可分别从B₁和B₂位置沿滑道关于中心线对称向左右两边对称移动；左支撑腿和右支撑腿靠主尺一边分别设置有左游标尺和右游标尺；

在左导轨末端移动空心支撑杆和右导轨末端移动空心支撑杆上端分别设置有左导轨方位螺旋和右导轨方位螺旋，在左导轨方位螺旋和右导轨方位螺旋顶端分别设置有左导轨末端竖直方向移动转动轴和右导轨末端竖直方向移动转动轴；

左导轨末端竖直方向移动转动轴和右导轨末端竖直方向移动转动轴可分别沿左导轨末端竖直方向移动转动轴滑槽和右导轨末端竖直方向移动转动轴滑槽滑动；

在左导轨末端竖直方向移动转动轴和右导轨末端竖直方向移动转动轴位置确定后，由左导轨与右导轨确定的平面可围绕左导轨末端竖直方向移动转动轴和右导轨末端竖直方向移动转动轴组成的转动轴自由移动转动。

作为优选：始端支撑腿脚包括：始端固定空心支撑腿，在空心支撑腿上端设置一可上下移动的始端移动支撑杆，始端移动支撑杆上带有刻度尺，始端移动支撑杆上端设置有左右导轨始端竖直转动轴套，左右导轨始端竖直转动轴套内套设左右导轨始端转动轴，左右导轨始端转动轴可在左右导轨始端竖直转动轴套内自由转动。

作为优选：左支撑腿和右支撑腿分别设置有左支撑腿固定螺丝和右支撑腿固定螺丝，左支撑腿和右支撑腿上端分别设置有左支撑杆上下调节螺旋和右支撑杆上下调节螺旋。

作为优选：共同转动轴与左导轨和右导轨的始端连接，左导轨可围绕共同转动轴上的左导轨始端水平转动轴水平转动，右轨道可围绕共同转动轴上的右导轨始端水平转动轴水平转动。

作为优选：左导轨始端水平转动轴与右导轨始端水平转动轴间距为2cm。

作为优选：左转动轴与右转动轴关于左右导轨竖直转动轴套中心线为对称。

本发明的有益效果是：

1、设计多个模块，可由学生自行组装和调节，全方位培养学生动手、创新能力；

2、轨道末端支撑腿移动距离精度达到了0.1mm，为此而计算出来的轨道间夹角γ精度较高；

3、对称改变左右支撑腿间的夹角，是通过改变左右导轨方位螺旋支撑柱方位来实现，使之无论左右导轨间的夹角为多少，左右导轨方位螺旋支撑柱均能围绕其各自转动轴自由旋转；

4、改变导轨夹角，左右导轨末端竖直方向移动转动轴可在左右导轨末端竖直方向移动转动轴滑槽中滑动来改变轨道长度，同时，左右轨道可分别围绕左右导轨始端水平转动轴转动；

5、通过竖直下拉轴来改变左右导轨平面相对水平面倾角，左右导轨始端转动轴既可以围绕左右导轨始端竖直转动轴套转动，同时，左右轨道又可以分别围绕左右导轨末端竖直方向移动转动轴移动转动；

6、采用这种结构，操作方便，实验精度高。

附图说明

图1是本发明底座结构俯视图；

图2是本发明整体结构左视图；

图3是本发明整体结构右视图；

图4是本发明左右导轨平行(初始位置)时及始端与末端连接结构俯视图；

图5是本发明左右轨道始端水平转动轴与竖直抽拉杆沿轨道方向正视图；

图6是本发明左右轨道对称张开γ角度状态俯视图；

图7是本发明竖直抽下拉杆下拉调节左右轨道平面倾斜整体机构左视图；

图8是本发明轨道末端支撑腿脚游标尺精度示意图；

图9是本发明验证锥体上滚条件实验原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

如图1所示，为底座整体俯视图。2、底座，3、调平水平泡，4、始端支撑腿脚，5、底座中线刻度尺，6、两导轨初始位置投影线，7、左导轨末端支撑腿脚，7-0、左支撑腿游标尺，8、右支撑腿脚，8-0、右支撑腿游标尺，9、导轨末端支撑腿滑槽，9-0、指示支撑腿位置主尺；

如图2所示，为实验仪整体结构左正视图。1、支撑脚，4-0、始端空心固定支撑腿，4-1、始端移动支撑杆，4-2、始端移动支撑杆刻度，4-3、左右导轨始端竖直转动轴套，4-4、始端移动支撑杆固定螺丝，7、左导轨末端支撑腿脚，7-1、左支撑腿脚锁紧螺丝，7-2、左导轨末端固定支撑腿，7-3、左导轨末端支撑杆上下调节螺旋，7-4、左导轨末端移动空心支撑杆，7-5、左导轨方位螺旋支撑柱，7-7、左导轨方位螺旋支撑柱锁紧螺丝，11、左导轨，11-0、左导轨始端水平方向转动轴，11-2、左导轨末端竖直方向移动转动轴，11-1、左导轨末端竖直方向移动转动轴滑槽，11-12、左右导轨始端转动轴；

如图3所示，为实验仪整体结果右正视图。1、支撑脚，4-0、始端空心固定支撑腿，4-1、始端移动支撑杆，4-2、始端移动支撑杆刻度，4-3、左右导轨始端竖直转动轴套，4-4、始端移动支撑杆固定螺丝，8、右导轨末端支撑腿脚，8-1、右导轨末端支撑腿脚锁紧螺丝，8-2、右导轨末端固定支撑腿，8-3、右导轨末端支撑杆上下调节螺旋，8-4、右导轨末端移动空心支撑杆，8-5、右导轨末端方位螺旋支撑柱，8-7、右导轨末端方位螺旋支撑柱锁紧螺丝，12、右导轨，12-0、右导轨始端水平方向转动轴，12-2、右导轨末端竖直方向移动转动轴，12-1、右导轨末端竖直方向移动转动轴滑槽，11-12、左右导轨始端转动轴；

如图4所示，为左右导轨平行时及始端与末端连接结构俯视图。4-3、左右导轨始端竖直转动轴套，11、左导轨，11-0、左导轨始端水平转动轴，11-1、左导轨末端竖直方向移动转动轴滑槽，11-2、左导轨末端竖直方向移动转动轴，12、右导轨，12-0、右导轨始端水平转动轴，12-1、右导轨末端竖直方向移动转动轴滑槽，12-2、右导轨末端竖直方向移动转动轴，11-12、左右导轨始端转动轴；

如图5所示，为左右轨道始端水平转动轴与竖直抽拉杆沿轨道方向正视图。4-0、始端空心固定支撑腿，4-1、始端移动支撑杆，4-2、始端移动支撑杆刻度，4-3、左右导轨始端竖直转动轴套，4-4、始端移动支撑杆固定螺丝，11-0、左导轨始端水平转动轴，11-3、左轨道转动轴活动空隙，12、右导轨，12-0、右导轨始端水平转动轴，11-12、左右导轨始端转动轴，12-3、右轨道转动轴活动空隙；

如图6所示，为左右轨道对称张开角度状态俯视图。2、底座，3、调平水平泡，4、始端支撑腿脚，4-3、左右轨道始端竖直转动轴套，5、底座中线刻度尺，6、两导轨初始位置投影线，7、左导轨末端支撑腿脚，8、右轨道末端支撑腿脚，11、左导轨，11-0、左导轨始端水平转动轴，12、右导轨，12-0、右导轨始端水平转动轴，11-12、左右导轨始端转动轴。

本实施例的竖直抽拉式三维调节定量验证锥体上滚条件实验仪，在底座2下面设置三个支撑腿1，在底座上表面设置一调平水平泡3，在底座左端设置有始端固定空心支撑腿4-0，在空心支撑腿上端设置一可上下移动的始端移动支撑杆4-1，始端移动支撑杆4-1上带有刻度尺4-2，始端移动支撑杆4-1上端设置有左右导轨始端竖直转动轴套4-3，左右导轨始端竖直转动轴套4-3内套设左右导轨始端转动轴11-12，左右导轨始端转动轴11-12可在左右导轨始端竖直转动轴套4-3内自由转动；左导轨的右端设置有左支撑腿7-2，右导轨的右端设置有右支撑腿8-2，左支撑腿脚7和右支撑腿脚8可分别从B₁和B₂位置沿滑道9关于中心线5对称向左右两边对称移动，左支撑腿7和右支撑腿8靠主尺9-0一边分别设置有左游标尺7-0和右游标尺8-0，左支撑腿7和右支撑腿8分别设置有左支撑腿固定螺丝7-1和右支撑腿固定螺丝8-1，左支撑腿7-2和右支撑腿8-2上端分别设置有左支撑杆上下调节螺旋7-3和右支撑杆上下调节螺旋8-3，分别用来调节左导轨末端移动空心支撑杆7-4和右导轨末端移动空心支撑杆8-4高度，在左导轨末端移动空心支撑杆7-4和右导轨末端移动空心支撑杆8-4上端分别设置有左导轨方位螺旋7-5和右导轨方位螺旋8-5，在左导轨方位螺旋7-5和右导轨方位螺旋8-5顶端分别设置有左导轨末端竖直方向移动转动轴11-2和右导轨末端竖直方向移动转动轴12-2，左导轨末端竖直方向移动转动轴11-2和右导轨末端竖直方向移动转动轴12-2可分别沿左导轨末端竖直方向移动转动轴滑槽11-1和右导轨末端竖直方向移动转动轴滑槽12-1滑动，在左导轨末端竖直方向移动转动轴11-2和右导轨末端竖直方向移动转动轴12-2位置确定后，由左导轨11与右导轨12确定的平面可围绕左导轨末端竖直方向移动转动轴11-2和右导轨末端竖直方向移动转动轴12-2组成的转动轴自由移动转动，在左导轨11和右导轨12的始端设置有左导轨11和右轨道12的共同转动轴11-12，同时，左导轨11可围绕共同转动轴11-12上的左导轨始端水平转动轴11-0水平转动，右轨道12可围绕共同转动轴11-12上的右导轨始端水平转动轴12-0水平转动，左转动轴11-0与右转动轴12-0关于左右导轨竖直转动轴套4-3中心线为对称，且左导轨始端水平转动轴11-0与右导轨始端水平转动轴12-0间距(或左右轨道平行时)为2cm。

图1为仪器底座中心线纵向标尺与导轨末端横向标尺示意图中，每一格代表1cm，每1cm又被分成10格，每格代表1mm；如图8所示，为轨道末端支撑腿脚微尺精度，采用微尺上10格与主尺上9格(9mm)对应，即将1mm分配到微尺上的10格上，则微尺上的1格代表0.1mm，也就是说微尺精度为0.1mm。

本实施例的使用方法：

1、调平底座：调节三个支撑腿1高度，使之底座2上调平水平泡3的水泡处于园圈中央位置，则底座2调节水平；

2、调节两导轨处于同一水平面上：上下调节始端移动支撑杆4-1，使之始端移动支撑杆刻度4-2上的0刻度线刚好与始端空心固定支撑腿4-0上沿齐平，锁紧始端移动支撑杆固定螺丝4-4；将左导轨11的左支撑腿脚7微尺7-0中央线与右导轨12的右支撑腿脚8微尺8-0中央线分别放至与中线5两侧线6对应重合，此时，左导轨11与右导轨12平行；将水平尺倾斜放在左导轨11与右导轨12上表面，调节轨道末端左支撑杆上下调节螺旋7-3和右支撑杆上下调节螺旋8-3，使之水平尺水泡处于圆圈中央位置，此时，左导轨11与右导轨12调节至同一水平面上；如图2、图3、图4所示；

3、根据老师所给双圆锥体底面直径、高度，以及锥体最终所滚位置，来推算其它参量；

4、根据所推算相关参量，调节左导轨11的支撑腿脚7和右导轨12的支撑腿脚8沿左右轨道末端支撑腿脚滑槽9移动相应距离，此过程中，左轨道11围绕左导轨始端水平转动轴A₁11-0水平向左转动，右轨道12围绕右导轨始端水平转动轴A₂12-0水平向右转动，同时，左导轨11的左导轨末端转动轴11-2沿左导轨末端移动转动滑槽11-1移动，右轨道12的右导轨末端转动轴12-2沿右导轨末端移动转动滑槽12-1移动，此时，左支撑腿脚7从B₁移至C₁位置、右支撑腿脚8从B₂移至C₂位置，再次将水平尺放置在左导轨11与右轨道12上表面，分别调节导轨末端的左导轨末端支撑杆上下调节螺旋7-3与右导轨末端支撑杆上下调节螺旋8-3，以确保左轨道11与右轨道12处于同一水平面内。如图2、图3所示；

5、调节左导轨方位螺旋支撑柱7-5与右导轨方位螺旋支撑柱8-5，使之左导轨末端竖直方向移动转动轴11-2与右导轨末端竖直方向移动转动轴12-2分别与左导轨11和右导轨12夹角平分线垂直，分别锁定左导轨末端竖直方向移动转动轴11-2与右导轨末端竖直方向移动转动轴12-2的左导轨末端方位螺旋支撑柱7-5与右导轨末端方位螺旋支撑柱8-5的左导轨末端方位螺旋支撑柱锁紧螺丝7-7和右导轨末端方位螺旋支撑柱锁紧螺丝8-7；

6、根据所推算参数，将轨道始端移动支撑杆4-1下调至相应刻度，左轨道11与右轨道12所确定的平面将围绕左导轨末端竖直方向移动转动轴11-2与右导轨末端竖直方向移动转动轴12-2转动一个角度，该过程，同时左导轨11和右导轨12分别围绕左导轨末端竖直方向移动转动轴11-2和右导轨末端竖直方向移动转动轴12-2配合移动转动；

7、各个环节调节好后，锁紧所有转动处的固定螺丝；

8、将圆锥放至导轨始端(低端)处进行实验。如图7所示；

9、根据双锥体放在锥体导轨上滚与不滚来调节始端移动支撑杆4-1，以改变始端移动支撑杆刻度值4-2，如此反复进行调节，直至双圆锥体刚好滚动为止，以此来验证锥体上滚条件是否正确。同时，以实验值与理论值进行比较，来计算百分误差。

实施原理：

1、左右导轨始端竖直轴下拉高度推算方法

在左右导轨被此关于中心线对称、平行且上表面水平前提条件下。设左右导轨始端空心固定支撑腿中心至左右导轨末端支撑腿脚中心处的垂直距离l，左右导轨始端移动支撑杆下降高度(即左右导轨始端竖直轴下拉高度)h_i，左右导轨始端轴承处下降高度h_i后，左右导轨始端竖直转动轴套中心至左右导轨末端竖直方向移动转动轴(或挡锥物A)处为a_i(即轨道长度)，左右导轨所确定平面倾角为α_i，如图(9-a)所示。根据双锥体直径m与高n，计算锥体顶角正切

tanβ_i＝m/2/n/2＝m/n ……(1)

根据双锥体高度n，确定左右导轨夹角一半正切

tanγ_i/2＝s/2/l＝s/2l ……(2)

依据锥体上滚条件

让

tanβ_i/2·tanγ_i/2＝f_i……(4)

则tanα_i＜f_i，即得

2、锥体上滚实验相关参数的测量方法

调节底座三个支撑腿，让底座水平泡处于圆圈中央，合并锥体实验仪左右导轨末端支撑腿脚，使之左右导轨近乎平行，调节始端移动支撑杆，让始端移动支撑杆刻度的0刻度线与始端空心固定支撑腿上端齐平，拧紧始端移动支撑杆固定螺丝，将水平尺放置在左右导轨上表面的不同方位，分别调节左右导轨末端支撑杆上下调节螺旋，使之两导轨处于同一水平面(水平尺气泡位于中央)上，读出始端空心固定支撑腿中心至左右导轨末端支撑腿脚中心连线垂直距离l，对称移动左右导轨末端支撑腿脚，使之左右导轨末端支撑腿脚中心间距为s，则左右导轨一半的正切

tanγ_i/2＝s/2/l＝s/2l…(6)

选定底面直径m_i、高n_i的锥体，计算双锥体顶角一半的正切

让

tanβ_i/2·tanγ_i/2＝f_i……(8)

则tanα_i＜f_i，设左右导轨始端移动支撑杆下降高度(即左右导轨始端竖直轴下拉高度)h_i，则得

需要特别说明的是，为了演示双锥体在左右导轨上长时间滚动，需要延长导轨长度，可将挡锥物(A)固定在导轨最末端，则左右导轨末端挡锥物(A)间距应该为双锥体高度n，此时，可采用相似三角形将挡锥物所在导轨末端位置换算至左右导轨末端竖直方向移动转动轴上方处，这样就可以确定左右导轨末端支撑腿脚中心之间的间距，从而确定左右导轨末端支撑腿脚相对中心线移动间距s。