用于展示平抛线的教具的制作方法

本实用新型涉及中学物理教学用具领域，具体讲是一种用于展示平抛线的教具。

背景技术：

平抛线是物体做平抛运动的轨迹线，它是物理学中表达叠加运动的经典案列。与平抛线相关的几个重要参数分别是初速度v、重力加速度g、下落高度h、下落过程中的横向的前进距离s，上述几个参数之间的关系为：s＝vt，h＝1/2gt²。

然而，现有技术中，缺乏能够直观明确的将上述各个参数一一展现，以便于学生接受和理解的平抛线模型及各个参数相对关系的展示教具，只能是粗略地通过手抛球，去大致模拟平抛运动的过程和轨迹，其展示的效果不理想，各个参数的数值也均表达得不精确。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种能直观的表达出水平初速度、高度、前进距离三个参数，展示效果好，便于学生理解和掌握的用于展示平抛线的教具。

本实用新型的技术解决方案是，提供一种用于展示平抛线的教具，它包括一个高度可调的竖向支架、安装在竖向支架上的用于发射小球的发射平台和水平的落物跑道；竖向支架固定在落物跑道的起点；发射平台上设有用于检测水平初速度v的测速装置，落物跑道上铺设有落点标记装置，竖向支架上设有用于标示发射平台高度的标尺。

采用以上结构的用于展示平抛线的教具与现有技术相比，具有以下优点：

该教具的动作过程为，小球从发射平台水平发出，最后以平抛线落到落物跑道上，而小球从平台出发的初速度、发射平台的高度以及小球横向前进的距离均是可以测得的；这样，通过该教具，可以清晰模拟出平抛线的运动过程，展示效果好，而且能直观的表达出水平初速度、高度、前进距离等三个参数，展示效果好，便于学生理解和掌握。

作为优选，发射平台设有发射跑道，发射跑道的底面和两个内侧面均铺设有光滑的气垫层；发射跑道上设有卡位板，卡位板上设有半圆缺口，小球在发射前就倚靠在半圆缺口上；发射跑道还设有固定板，固定板经压簧连接有一个用于撞击以发射小球的撞球；这样，小球在发射前，可以卡在卡位板的缺口处，这就限定了小球的初始位置，然后，手动压缩压簧，松手后，撞球撞击小球，使得小球沿着发射跑道前进，最后从发射跑道尽头下落，开始平抛运动；而且，对压簧施加不同的力，使其具备不同的压缩量，就能相对应的获得不同的水平初速度，进而模拟出不同轨迹的平抛线；况且，跑道底面和两内侧面均光滑，这就尽可能降低了摩擦造成的能量损失，使得轨迹的各个参数更加精确。

用于检测水平初速度v的测速装置优选为，发射跑道的中点和末端各设一个红外线感应器，红外线感应器与控制芯片电连接，当小球经过时红外感应器对控制芯片发射信号；这样，控制芯片可以计算出两次收到信号的时间间隔t，然后用发射跑道长度的一半除以t，就精确获得了水平初速度v。

落点标记装置优选为，落物跑道上铺设一层复写纸，复写纸上铺设有一层白纸，这样，小球降落到落物跑道后，会在白纸上砸出一个复写纸的小圆点，测量圆点到落伍跑道起点的距离，就精确获得了小球横向前进的距离。

作为进一步优选，该教具还包括一块轨迹参照板和一个高速摄像机，轨迹参照板上标有由经纬线构成的坐标系，轨迹参照板与小球平抛运动所在的平面平行，高速摄像机正对轨迹参照板，高速摄像机与控制芯片电连接，这样，高速摄像机可以精确的采集平抛轨迹上的几个点的纵横坐标，然后由控制芯片拟合出一条完整的平抛曲线，并显示出来，上述装置对平抛线的展示更直观、更明确、更清晰。

作为更进一步优选，竖向支架包括一个电动机，电动机输出轴上设有丝杠，丝杠上旋合有一个滑块，滑块上设有竖向通孔，标尺滑动配合在竖向通孔内，发射跑道与滑块固定；这样，启动电动机，就能驱动滑块升降，最终调节小球下落的高度，而且标尺一方面作为滚珠丝杠副的导轨，另一方面能直观标识出发射平台的高度，一举两得。

附图说明

图1是本实用新型用于展示平抛线的教具的结构示意图。

图中所示1、小球，2、落物跑道，3、标尺，4、发射跑道，5、卡位板，6、半圆缺口，7、固定板，8、压簧，9、撞球，10、红外线感应器，11、复写纸，12、白纸，13、轨迹参照板，14、高速摄像机，15、电动机，16、丝杠，17、滑块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型用于展示平抛线的教具，它包括一个高度可调的竖向支架、安装在竖向支架上的用于发射小球1的发射平台和水平的落物跑道2。

竖向支架固定在落物跑道2的起点。具体的说，竖向支架包括一个电动机15和一根用于标示发射平台高度的标尺3，电动机15壳体固定在落物跑道2的起点，而标尺3固定在电动机15壳体上。电动机15输出轴上设有丝杠16，丝杠16上旋合有一个滑块17，滑块17上设有竖向通孔，标尺3滑动配合在竖向通孔内，发射平台的发射跑道4与滑块 17固定。当然，竖向支架上还可以设置竖向气缸来作为升降发射平台的装置。

发射平台设有发射跑道4，发射跑道4的底面和两个内侧面均铺设有光滑的气垫层；发射跑道4上设有卡位板5，卡位板5上设有半圆缺口6，小球1在发射前就倚靠在半圆缺口6上；发射跑道4还设有固定板7，固定板7经压簧8连接有一个用于撞击以发射小球1的撞球9。当然，除了压簧8，还可以采用气泵、电磁铁等别的动力部件来提供小球 1发射的动力。

发射平台上设有用于检测水平初速度v的测速装置，具体的说，发射跑道4的中点和末端各设一个红外线感应器10，红外线感应器10与控制芯片电连接，当小球1经过时红外感应器对控制芯片发射信号。控制芯片可以是PLC芯片或MCU芯片，芯片根据两次收到信号的时间间隔获得t，然后将发射跑道4长度的一半作为s，用s/t就获得了小球 1的水平初速度v。当然，测速装置还可以采用市售的公路测速摄像头等。

发射跑道4的初段还设有距离刻度，该距离刻度从压簧8的压缩量为零的位置开始标记。通过该标记，能读出压簧8初始的压缩量，选用与撞球9体积和质量相同的小球1，结合小球1被撞击脱离发射跑道4的水平初速度，就能用于验算冲量公式、动量公式和胡克定理，便于学生理解和应用。而且，当小球1的体积和质量固定的情况下，可以根据上述公式完成小球1水平初速度与压簧8压缩量的一一对应的换算，将发射跑道4的距离刻度直接标记成对应的水平初速度的刻度，更加直观。

落物跑道2上铺设有落点标记装置，即落物跑道2上铺设一层复写纸11，复写纸11 上铺设有一层白纸12。小球1落下后，会在白纸12砸出落点的痕迹，测量落点与落物跑道2起点的距离，就获得了小球1横向前进的距离。当然，还可以在跑道上铺设一层压力传感器，该压力传感器也与控制芯片电连接，该压力传感器能精确测得落点并发送给控制芯片，从而算出小球1横向前进的距离。

该教具还可以包括一块轨迹参照板13和一个高速摄像机14，轨迹参照板13上标有由经纬线构成的坐标系，轨迹参照板13与小球1平抛运动所在的平面平行，高速摄像机 14正对轨迹参照板13，高速摄像机14与控制芯片电连接。这样，高速摄像机14能抓拍出平抛轨迹上几个主要落点的坐标，拟合出一条完整的平抛曲线。

现有技术的高速摄像机14能够以很高的频率记录一个动态的图像，因为一个动态的图像是需要数个静止的连贯的图片按一定时间速度播放出来的，高速摄像机14一般可以每秒1000～10000帧的速度记录。