一种平抛运动物理实验演示装置的制作方法

本发明属于教学用具技术领域，涉及一种平抛运动物理实验演示装置。

背景技术：

传统的平抛运动演示仪，操作比较复杂、繁琐，在课堂上做演示探究时比较费时，现实中有很多针对平抛运动实验的演示装置，例如公开号为cn204667726u的实用新型专利cn201134177y公开了一种平抛运动实验仪，在直面板的左右两侧垂直设立左立柱和右立柱，在两立柱上分别套置可上下移动的左滑块和右滑块，并水平支撑水平电阻芯棒以及与水平电阻芯棒平行且位于其上方的长弹簧，与左立柱套置于左滑块内的垂直电阻芯棒和左导柱，相互接触电连接，左导柱连接垂直电压传感器的一端，垂直电阻芯棒的上端与左立柱电连接，垂直电阻芯棒的下端连接电源；在直面板的左上方固定一斜向斜轨及电磁铁，钢球被吸附在电磁铁上，在抛射口安装光电门传感器。本发明不但能快速地正确直接描绘出平抛运动的轨迹，还能证明平抛运动是合成运动的结果。

虽然上述的实验装置能够描绘出平抛运动的轨迹，但是操作过程依旧繁复，必须多次抛出小球，需要不断的手动放置小球在平抛装置上，多次重复后才可得到所需的实验数据，此外实验操作过程不具有直观性和连续性。

另外，由于受到教学条件的限制，在中学物理实验中还采用安装挡板的方法，此种方法依旧不能避免多次释放小球，多次打点的弊端，学生们在操作该种实验装置的时候由于需要不断的进行抛出小球的操作，步骤复杂，难以集中精力更好的观察和分析实验现象，国内现有的中学物理平抛运动中很多试验装置都不同程度的具有一定的缺陷，没有一种可以通过自动化的机械结构来代替重复操作的简单平抛实验装置。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可以通过自动化的机械结构来代替重复操作的简单平抛实验装置。

本发明采用的技术方案在于，提供了一种平抛运动物理实验演示装置，包括水平底板、支架、横梁、平抛装置、挡板和挡板驱动装置，其中，

所述的支架架设在水平底板上，其上端设有横梁，

所述的平抛装置包括储球管、斜面、槽型滑道和曲柄滑块组件，所述斜面的上端连接有槽型滑道，所述槽型滑道包括倾斜段和水平段，所述的储球管竖直设置在斜面上端的正上方，所述的斜面、槽型滑道和储球管位于同一竖直平面内，所述的储球管内存放有用于平抛实验的小球，所述储球管的内径大于小球直径，小于等于1.5倍的小球直径，所述的储球管顶端和底端设置为开口形式，储球管内最底层的小球顶压在斜面上，所述的储球管的底端朝向槽型滑道的一侧开设有第一缺口，所述储球管底端朝向斜面的一侧设置有第二缺口，所述的曲柄滑块组件用于穿过第二缺口将储球管内最底层的小球从第一缺口推出，使最底层的小球从斜面上进入到槽型滑道，

所述的挡板竖直设置在平抛装置使小球抛出的一侧，即用于接受从平抛装置抛出的小球的撞击，并连接在所述的横梁上，所述的竖直挡板上依次铺设有复写纸和白纸，

所述的挡板驱动装置固定在横梁上，用于驱动所述的挡板在水平方向往复移动，

所述的水平底板上依次铺设有复写纸和白纸。

上述的技术方案中，平抛装置中的储球管和曲柄滑块组件的结合可以解放实验者的双手，实验多次自动化的抛出小球进行实验，另外可以通过挡板驱动装置驱动挡板往复移动，从的获得平抛曲线上不同位置的试验点，当小球击中挡板后会在竖直挡板上留下击中点，可以平抛曲线该点的纵坐标的坐标值，击中挡板的小球会竖直下落击中水平，从而获得另一个击中点，可以平抛曲线该点横坐标的坐标值，两个坐标值集合即可得到曲线上的一个确定点，多次抛出小球后可以获得多个确定点，用平滑曲线连接后即可得到平抛曲线。

进一步的，所述的曲柄滑块组件包括依次连接的曲柄、连杆和滑块，所述的斜面上设置有滑槽，所述的滑块与滑槽相匹配并可以沿所述的斜面往复滑动。曲柄滑块组件可以通过马达或其他动力装置来驱动，操作灵活方便，结构简单且易修理。

进一步的，所述的挡板驱动装置包括依次连接的电机、丝杆和螺母，所述的丝杆通过左轴承座和右轴承座固定在横梁上，且所述的丝杆的一端与电机的输出轴连接，所述电机固定在横梁上，丝杆上安装有与所述丝杆匹配的螺母，所述的螺母的下端与挡板固定连接。电机带动丝杆旋转，可以驱动螺母沿丝杆移动，并且带动挡板前后移动。

进一步的，所述螺母的上部连接有定位块，所述横梁上开设有与丝杆平行设置的定位槽，所述的定位块与定位槽配合并可沿所述的定位槽滑动。定位块和定位槽的配合可以使得螺母带动挡板移动的过程中不会产生围绕丝杆的旋转运动，是挡板的连接更加稳定，保证实验的精确性。

进一步的，所述的水平底座上设置有平行于所述丝杆的滑杆，所述的挡板的底端连接有滑套，所述的滑套套设在所述滑杆上，所述的滑杆的数量为多个。滑杆和滑套的配合进一步的稳定了挡板，防止受到小球撞击后挡板产生振动，影响实验数据的精确性。

进一步的，所述的支架包括与横梁连接的拉杆和与水平底板连接的中空管，所述拉杆的下端与中空管的上端套接，所述中空管和拉杆之间通过螺栓固定连接，所述拉杆和中空管的竖直方向上间隔地开设有多个连接孔，所述螺栓通过连接孔横向贯穿中空管和拉杆。通过调节中空管和拉杆之间的伸缩长度，可以用于调节支架的高度。

进一步的，所述支架包括与所述横梁连接的上拉杆、与水平底板连接的下拉杆，以及连接所述上拉杆和所述下拉杆的螺筒，所述螺筒两端设置有旋向相反的内螺纹，所述上拉杆和所述下拉杆设置有与内螺纹匹配连接的外螺纹。通过上述的改进，使得调节支架的高度变得更加快捷方便。

进一步的，上述的平抛运动物理实验演示装置还包括与所述的槽型滑道平行设置的立板，所述的立板上设置有坐标纸。可以方便及时的将试验多的的坐标点描绘在坐标纸上。

进一步的，上述的平抛运动物理实验演示装置还包括控制器和限位传感器，所述的限位传感器包括第一限位传感器和第二限位传感器，所述的第一限位传感器和第二限位传感器分别设置在所述丝杆介于左轴承座和右轴承座之间部分的两端处，所述的第一限位传感器和第二限位传感器均通过控制器与电机连接。在限位传感器的限位作用下，控制电机的正反转，螺母会在电机的驱动下不停地进行前后的往复运动，运动范围被限制在第一限位传感器和第二限位传感器之间，从而使得挡板可以随之一起进行往复运动，不需要通过人工进行控制电机的正反转，即可实现挡板往复移动进行多次试验。优选地，所述限位传感器为光电传感器，光电传感器的检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且传感器的结构简单，形式灵活多样。

采用上述技术方案，包括以下有益技术效果：平抛装置中的储球管和曲柄滑块组件的结合可以解放实验者的双手，实验多次自动化的抛出小球进行实验，另外可以通过挡板驱动装置驱动挡板往复移动，从的获得平抛曲线上不同位置的试验点，实现了通过自动化的机械结构来代替重复操作的发明目的。

附图说明

图1是本发明平抛运动物理实验演示装置的结构示意图；

图2是图1中a部分的局部放大图；

图3是本发明平抛运动物理实验演示装置的使用状态图；

图4是本发明中支架的一种实施方式的结构示意图；

图5是本发明中支架的另一种实施方式的结构示意图；

图6是本发明平抛运动物理实验演示装置另一种实施方式的结构示意图；

图7是本发明中挡板驱动装置的控制系统的结构示意图；

图中，

1、水平底板；2、支架；201、拉杆；202、中空管；203、连接孔；204、上拉杆；205、下拉杆；206、螺筒；3、横梁；4、平抛装置；401、储球管；402、斜面；403、槽型滑道；404、曲柄滑块组件；4041、曲柄；4042、连杆；4043、滑块；405、小球；406、第一缺口；407、第二缺口；5、挡板；6、挡板驱动装置；601、电机；602、丝杆；603、螺母；7、左轴承座；8、右轴承座；9、定位块；10、立板；11、控制器；12、限位传感器；1201、第一限位传感器；1202、第二限位传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有说明，“多个”的含义为两个或更多。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。图1～图7给出了本发明的具体实施方式。

如图1～2所示，本发明提供了一种平抛运动物理实验演示装置，包括水平底板1、支架2、横梁3、平抛装置4、挡板5和挡板驱动装置5，其中，所述的支架2架设在水平底板1上，其上端设有横梁3，所述的平抛装置4包括储球管401、斜面402、槽型滑道403和曲柄滑块组件404，所述斜面402的上端连接有槽型滑道403，所述槽型滑道403包括倾斜段和水平段，所述的储球管401竖直设置在斜面402上端的正上方，所述的斜面402、槽型滑道403和储球管401位于同一竖直平面内，所述的储球管401内存放有用于平抛实验的小球405，所述储球管401的内径大于小球405直径，小于等于1.5倍的小球405直径，所述的储球管401顶端和底端设置为开口形式，储球管401内最底层的小球405顶压在斜面402上，所述的储球管401的底端朝向槽型滑道403的一侧开设有第一缺口406，所述储球管401底端朝向斜面402的一侧设置有第二缺口407，所述的曲柄滑块组件404用于穿过第二缺口407将储球管401内最底层的小球405从第一缺口406推出，使最底层的小球405从斜面402上进入到槽型滑道403，所述的挡板5竖直设置在平抛装置4使小球405抛出的一侧，具体到图1中即为挡板5竖直设置在平抛装置4的右侧，并连接在所述的横梁3上，所述的竖直挡板5上依次铺设有复写纸和白纸，所述的挡板驱动装置5固定在横梁3上，用于驱动所述的挡板5在水平方向往复移动，所述的水平底板1上依次铺设有复写纸和白纸。

具体的，所述的斜面402、槽型滑道403和储球管401位于同一竖直平面内，应当理解为其中心线位于同一竖直平面内；所述储球管401的内径大于小球405直径，小于等于1.5倍的小球405直径为一个优选的范围值，更为优选的范围值为，所述储球管401的内径大于小球405直径，小于等于1.2倍的小球405直径；第一缺口406的大小应当能运行一个小球405自由穿过，但不能允许两个小球405同时穿过；当然，第二缺口407的大小不能使得一个小球405穿过，但应当允许曲柄滑块组件404中的滑块自由进出。

如图3所示，给出了上述实施方式的工作状态，采用上述实施方式在工作时，平抛装置4中的储球管401和曲柄滑块组件404的结合可以解放实验者的双手，实验多次自动化的抛出小球405进行实验，另外可以通过挡板驱动装置5驱动挡板5往复移动，从的获得平抛曲线上不同位置的试验点，当小球405击中挡板5后会在竖直挡板5上留下击中点，可以平抛曲线该点的纵坐标的坐标值，击中挡板5的小球405会竖直下落击中水平，从而获得另一个击中点，可以平抛曲线该点横坐标的坐标值，两个坐标值集合即可得到曲线上的一个确定点，多次抛出小球405后可以获得多个确定点，用平滑曲线连接后即可得到平抛曲线。例如，在图3中，当挡板5运动到图中最左边的挡板5位置时，可以在挡板5和水平底板1上分别得到一个横坐标值和纵坐标值，进而可以确定一个平抛曲线上的点；当挡板5运动到图中中间的挡板5位置时，可以在挡板5和水平底板1上分别得到另一个一个横坐标值和纵坐标值，进而可以确定另一个平抛曲线上的点；当挡板5运动到图中最右边的挡板5位置时，可以在挡板5和水平底板1上分别得到再一个横坐标值和纵坐标值，进而可以确定再一个平抛曲线上的点；……；如此往复，理论上可以得到无限多个平抛曲线上的点，只需要将各点用圆滑曲线连线即可以得到平抛曲线，当然在实际操作过程中是在获得挡板5和水平底板1上多个击中点后再依次分别对应得到平抛曲线上的多个点。水平底板1上由左至右的横坐标依次对应于挡板5上由上至下的纵坐标，只需要将其依次对应即可得到平抛曲线上的多个点。

如图2所示，所述的曲柄滑块组件404包括依次连接的曲柄4041、连杆4042和滑块4043，所述的斜面402上设置有滑槽(图中未示出)，所述的滑块4043与滑槽相匹配并可以沿所述的斜面402往复滑动。上述的曲柄4041可以通过马达驱动，曲柄4041的一端与马达的输出轴连接，另一端连接连接，马达优选固定在斜面402上。

在上述实施方式的基础上，更为具体的，所述的挡板驱动装置5包括依次连接的电机601、丝杆602和螺母603，所述的丝杆602通过左轴承座7和右轴承座8固定在横梁3上，且所述的丝杆602的一端与电机601的输出轴连接，所述电机601固定在横梁3上，丝杆602上安装有与所述丝杆602匹配的螺母603，所述的螺母603的下端与挡板5固定连接。通过启动电机601，可以驱动丝杆602旋转，进而带动螺母603左右移动，实现挡板5的移动，在螺母603旋转至丝杆602端部后，手动控制电机601反转，使得电机601带动丝杆602反向移动，从而实现往复移动。具体控制电机601正反转的控制方式适用于现有技术。

如图1所示，所述螺母603的上部连接有定位块9，所述横梁3上开设有与丝杆602平行设置的定位槽(图中未示出)，所述的定位块9与定位槽配合并可沿所述的定位槽滑动。定位块9和定位槽的配合可以使得螺母603带动挡板5移动的过程中不会产生围绕丝杆602的旋转运动，是挡板5的连接更加稳定，保证实验的精确性。做为更为具体的改进，所述的水平底座上设置有平行于所述丝杆602的滑杆，所述的挡板5的底端连接有滑套，所述的滑套套设在所述滑杆上，所述的滑杆的数量为多个。

如图4所示，所述的支架2包括与横梁3连接的拉杆201和与水平底板1连接的中空管202，所述拉杆201的下端与中空管202的上端套接，所述中空管202和拉杆201之间通过螺栓固定连接，所述拉杆201和中空管202的竖直方向上间隔地开设有多个连接孔203，所述螺栓通过连接孔203横向贯穿中空管202和拉杆201。通过调节中空管202和拉杆201之间的伸缩长度，可以用于调节支架2的高度。

如图5所示，所述支架2包括与所述横梁3连接的上拉杆204、与水平底板1连接的下拉杆205，以及连接所述上拉杆204和所述下拉杆205的螺筒206，所述螺筒206两端设置有旋向相反的内螺纹，所述上拉杆204和所述下拉杆205设置有与内螺纹匹配连接的外螺纹。通过上述的改进，使得调节支架2的高度变得更加快捷方便。

如图6所示，上述的平抛运动物理实验演示装置还包括与所述的槽型滑道403平行设置的立板10，所述的立板10上设置有坐标纸。可以方便及时的将试验多的的坐标点描绘在坐标纸上。

如图7所示，上述的平抛运动物理实验演示装置还包括控制器11和限位传感器12，所述的限位传感器12包括第一限位传感器1201和第二限位传感器1202，所述的第一限位传感器1201和第二限位传感器1202分别设置在所述丝杆602介于左轴承座7和右轴承座8之间部分的两端处，所述的第一限位传感器1201和第二限位传感器1202均通过控制器11与电机601连接。在限位传感器的限位作用下，控制电机601的正反转，螺母603会在电机601的驱动下不停地进行前后的往复运动，运动范围被限制在第一限位传感器1201和第二限位传感器1202之间，从而使得挡板5可以随之一起进行往复运动，不需要通过人工进行控制电机601的正反转，即可实现挡板5往复移动进行多次试验。优选地，所述限位传感器为光电传感器，光电传感器的检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且传感器的结构简单，形式灵活多样。

如图7所示，具体的工作过程为：工作时，控制器11向电机601发送控制指令，控制电机601正转，通过输出轴带动丝杆602正向旋转，进而驱动螺母603带动挡板5移动，当第二限位传感器1202感应到螺母603时，产生反馈信号并传输到控制器11，控制器11生成控制指令传输至电机601，并控制电机601快速反转，通过输出轴带动丝杆602反向旋转，进入驱动螺母603带动挡板5向相反方向返回，当第一限位传感器1201感应到螺母603时，产生反馈信号并传输到控制器11，控制器11生成控制指令传输至电机601，并控制电机601再次正转，通过输出轴带动丝杆602再次正向旋转，从而完成一次往复，如此反复，即可实现连续往复移动。具体结合平抛装置4时，在挡板5向远离平抛装置4的方向移动时，开启曲柄滑块组件404，释放小球405进行平抛实验，当挡板5像靠近平抛装置4的方向移动时，则关闭曲柄滑块组件404的工作，待挡板5再次向远离平抛装置4的方向移动时，再次开启曲柄滑块组件404，如此往复进行实验。

具体地，上述各实施方式中的电机601和驱动曲柄的马达等驱动设备可以为现有技术中的加减速电机、扭矩电机、伺服电机等等，优选配合变频器使用，但不是唯一限制。

光电传感器可以为槽型光电传感器、对射型光电传感器、反光板型光电开关或扩散反射型光电开关，本实施方式中优选采用槽型光电传感器，即把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧组成槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光，但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作，输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。在本实施方式中，螺母603进入槽中后会遮挡光，光电传感器便会输出一个开关控制信号，并将信号传递给控制器11，进而控制器11通过对电机601的控制实现电机601转动方向的变化。

在上述实施方式的基础上，所述限位传感器为光电传感器，型号可以为松下cx-442，控制器11为plc控制器11，具体型号可以为西门子s7-300系列。

本发明实施方式中采用的控制器11还可以由pld(programmablelogicdevice，可编程逻辑器件)或arm处理器等电子芯片模块编程实现，其具体选用的产品型号根据实际应用中对处理性能要求的不同而确定，适用于现有技术。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。