本发明涉及一种物理实验装置，具体地说，是涉及一种多功能惯性定律演示仪。
背景技术：
在物理实验装置中，尤其是演示惯性定律所用的实验装置中，经常要演示惯性定律也就是牛顿第一运动定律。我们都知道，牛顿第一运动定律，简称牛顿第一定律。又称惯性定律、惰性定律。常见的完整表述：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。鲁教版高中物理教材中的表述是：牛顿第一定律表明，当合外力为零时，原来静止的物体将继续保持静止状态，原来运动的物体则将继续以原来的速度做匀速直线运动。合外力为零包括两种情况：一种是物体受到的所有外力相互抵消，合外力为零；另一种是物体不受外力的作用。有的专家学者认为这种表述方式并不严谨，所以通常采用原始表述。伽利略对光滑斜面的推论认为，现实中，当一个球沿斜面向下滚时，它的速度增大，而向上滚时，它的速度减小。由此伽利略推论，当球沿水平面滚动时，它的速度应不增不减。实际上他发现，球愈来愈慢，最后停下来。伽利略认为，这并非是它的“自然本性”，而是由于摩擦阻力的缘故，因为他同样还观察到，表面愈光滑，球便会滚得愈远。于是他推论，若没有摩擦阻力，球将永远滚下去。
伽利略的理想斜面实验，是让小球沿一个光滑斜面从静止状态开始下滚，小球将滚上另一个斜面，达到与原来差不多的高度然后再下滚。他推论，只是因为摩擦力，球才没能达到原来的高度。然后，他减小后一斜面的倾角，小球在这个斜面上仍达到同一高度，但这时它要滚得远些。继续减小第二个斜面的倾角，球达到同一高度就会滚得更远。于是他对斜面平放时的情况进行研究，结论显然是球将永远滚下去。这就是说，力不是维持物体的运动即维持物体的速度的原因，而恰恰是改变物体运动状态即改变物体速度的原因。因此，一旦物体具有某一速度，如果它不受力，就将以这一速度匀速直线地运动下去。1687年，牛顿在笛卡尔、伽利略等人工作的基础上，撰写《自然哲学的数学原理》，摆脱旧观念的束缚，把惯性定律作为第一原理正式提了出来：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。他提出了保持匀速直线运动状态和静止状态是物体的固有属性的观点，以及从中得出的惯性参照系的概念。
目前演示惯性定律的实验装置很多，但没有专用的牛顿第一定律演示仪，在教学时多数老师就地取材进行伽利略的理想斜面实验的简单演示。专利号为cn204480551u的牛顿第一定律演示仪实用新型专利则是利用三个结构相同的轨道，轨道两端高低之差相同的台体来演示牛顿第一定律，三根轨道的水平轨道部分如果铺上摩擦系数不同的材料那么从轨道上滚下的小球在水平轨道上滚动的距离长短会不一样，摩擦系数越小滚动的距离越长，由此可以推论得出如果水平轨道非常光滑那么小球会一直滚下去由此得出牛顿第一定律的结论。专利号为cn2713566y的牛顿第一定律演示仪实用新型专利与前一种专利方案相似，只是用运动小车代替了小球，另外就是小车下滑的高度可以调节。但由于摩擦始终存在，小球或小车即使在非常光滑的水平面上小车也不可能一直运动下去，所以学生对惯性定律的理解还是存在疑惑。为了解决这些问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
专利号为cn106935108a的惯性定律演示仪采取的技术手段是将一小球沿锥形漏斗掉入装有液体的有机玻璃竖直圆筒中，小球掉入液体后先是做加速运动，当小球下落到一定速度时小球在竖直方向所受的合力为零，小球在液体中运动则变为匀速直线运动，此时小球在管内液体中向下的竖直运动状态便可看成是理想状态，如果测得小球在竖直方向上任意相等距离内小球下落的时间相等便认为小球做匀速直线运动，如果不受外力作用小球将会一直运动下去。这种牛顿第一定律演示仪虽然能对惯性定律进行理想化演示，但学生往往感觉不到运动的物体有惯性，另外它的演示功能单一，只能演示运动的物体有惯性不能演示静止的物体有惯性，也不能演示液体有惯性。
技术实现要素：
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种多功能惯性定律演示仪。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种多功能惯性定律演示仪，包括：
水平安装的基板；
牵引速度可调的往复直线牵引机构，所述往复直线牵引机构沿左右方向布置；
弹射小车，所述弹射小车沿左右方向布置，其左端与所述往复直线牵引机构的左向牵引端连接，其右端与所述往复直线牵引机构的右向牵引端连接；
位于所述弹射小车中间位的运动物惯性实验机构，其包括电磁弹射装置、塑料杯和塑料球，所述电磁弹射装置有两个且均安装在所述弹射小车上，两个电磁弹射装置的弹射端均竖直向上；所述塑料杯有两个且均固定安装在所述弹射小车上，所述塑料杯为漏斗状结构，两个所述电磁弹射装置的弹射端分别由下至上伸至两个所述塑料杯的底口处；所述塑料球有两个，且分别置于两个所述塑料杯内，并分别支撑在两个所述电磁弹射装置的弹射端；
位于所述弹射小车左侧的静止物惯性实验机构，其包括固定在所述弹射小车左端的金属球限位盒、置于所述金属球限位盒内的金属球、装有砂子的装砂盒、安装在所述基板上的装砂盒支撑台，所述金属球限位盒的顶面和左侧面均缺失，其左缺失面设置有可拆卸的金属球限位板，所述装砂盒的顶面缺失，所述金属球限位盒的竖直投影位于所述装砂盒内，所述装砂盒固定在所述装砂盒支撑台上；
位于所述弹射小车右侧的液体惯性实验机构，其包括用于装水且顶面缺失的装水盒，所述装水盒固定连接在所述弹射小车的右端，其内部通过隔板分成左右两个装水槽。
作为本专利选择的一种技术方案，所述往复直线牵引机构包括丝杆导轨、牵引绳、滑轮机构和转速可控的直流电机；
所述滑轮机构和所述直流电机分别安装在所述基板顶面的左右两端，所述直流电机沿前后方向布置，所述滑轮机构包括滑轮支架和安装在所述滑轮支架上的定滑轮；
所述丝杆导轨沿左右方向布置并位于所述滑轮机构与所述直流电机之间，所述弹射小车的行走轮支撑在所述丝杆导轨上并可沿左右方向运动；
所述牵引绳缠绕在所述直流电机的转轴上，其一端作为所述往复直线牵引机构的右向牵引端并与所述弹射小车的右端连接，其另一端作为所述往复直线牵引机构的左向牵引端，并绕过所述滑轮机构的定滑轮后与所述弹射小车的左端连接。
作为本专利选择的一种技术方案，所述弹射小车行走轮的环面设置有支撑卡在所述丝杆导轨上的凹槽。
作为本专利选择的一种技术方案，所述基板上安装有正转开关、反转开关、电源开关和调速电位器，所述正转开关和所述反转开关分别用于控制所述直流电机的正转和反转，所述电源开关用于控制所述电磁弹射装置的电源通断和所述直流电机的电源通断，所述调速电位器用于控制所述直流电机的转速。
作为本专利选择的一种技术方案，所述电磁弹射装置包括电磁铁架、安装在所述电磁铁架内的电磁线圈、由上至下穿过所述电磁线圈和所述电磁铁架的杆状磁铁铁芯、安装在所述塑料杯底口处的纵向限位导向筒、置于所述纵向限位导向筒内并套在所述磁铁铁芯上端的压缩弹簧、用于为所述电磁线圈提供电源的直流电源、用于控制所述电磁线圈断开电源的霍尔磁控开关,所述磁铁铁芯的上端固定设置有弹簧卡板，所述压缩弹簧压缩在所述弹簧卡板与所述电磁铁架之间。
作为本专利选择的一种技术方案，所述霍尔磁控开关配置有两个霍尔传感器和两个磁铁，所述弹射小车的前后两侧均布置有一个所述霍尔传感器和一个所述磁铁，两个所述霍尔传感器分别固定在所述弹射小车的前后两侧壁，两个所述磁铁均固定在所述基板上，所述霍尔传感器与所述磁铁一一对应。
作为本专利选择的一种技术方案，所述装砂盒支撑台为倒置的u型板结构，其与所述基板之间通过可拆卸式连接结构固定。
作为本专利选择的一种技术方案，所述装水盒与所述弹射小车之间为通过螺栓连接的可拆卸式结构，其盒底与所述弹射小车之间通过三角筋板连接加固。
作为本专利选择的一种技术方案，所述基板的顶面安装有水平仪。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
该惯性定律演示仪为一种多功能惯性定律演示仪，其以水平安装的基板为基础，设计有牵引速度可调的往复直线牵引机构、弹射小车、运动物惯性实验机构、静止物惯性实验机构、液体惯性实验机构，运动物惯性实验机构包括电磁弹射装置、塑料杯和塑料球，静止物惯性实验机构包括金属球限位盒、金属球、装砂盒、装砂盒支撑台，液体惯性实验机构包括装水盒，该演示仪克服了现有技术中惯性定律演示装置的缺陷，能够演示运动/静止的物体有惯性，能够演示液体具有惯性，整个演示过程均更加的直观。
附图说明
图1为本发明所述多功能惯性定律演示仪的结构示意图；
图2为本发明所述电磁弹射装置的安装结构示意图；
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-基板，2-滑轮机构，3-牵引绳，4-丝杆导轨，5-直流电机，6-弹射小车，7-正转开关，8-反转开关，9-电源开关，10-调速电位器，11-塑料杯，12-塑料球，13-霍尔传感器，14-磁铁，15-电磁铁架，16-电磁线圈，17-磁铁铁芯，18-纵向限位导向筒，19-压缩弹簧，20-直流电源，21-霍尔磁控开关，22-金属球限位盒，23-金属球，24-装砂盒，25-装砂盒支撑台，26-装水盒，27-隔板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
结合图1和图2所示，本发明包括以下结构：
水平安装的基板1；
牵引速度可调的往复直线牵引机构，往复直线牵引机构沿左右方向布置；
弹射小车6，弹射小车6沿左右方向布置，其左端与往复直线牵引机构的左向牵引端连接，其右端与往复直线牵引机构的右向牵引端连接；
位于弹射小车6中间位的运动物惯性实验机构，其包括电磁弹射装置、塑料杯11和塑料球12，电磁弹射装置有两个且均安装在弹射小车6上，两个电磁弹射装置的弹射端均竖直向上；塑料杯11有两个且均固定安装在弹射小车6上，塑料杯11为漏斗状结构，两个电磁弹射装置的弹射端分别由下至上伸至两个塑料杯11的底口处；塑料球12有两个，且分别置于两个塑料杯11内，并分别支撑在两个电磁弹射装置的弹射端；
位于弹射小车6左侧的静止物惯性实验机构，其包括固定在弹射小车6左端的金属球限位盒22、置于金属球限位盒22内的金属球23、装有砂子的装砂盒24、安装在基板1上的装砂盒支撑台25，金属球限位盒22的顶面和左侧面均缺失，其左缺失面设置有可拆卸的金属球23限位板，装砂盒24的顶面缺失，金属球限位盒22的竖直投影位于装砂盒24内，装砂盒24固定在装砂盒支撑台25上；
位于弹射小车6右侧的液体惯性实验机构，其包括用于装水且顶面缺失的装水盒26，装水盒26固定连接在弹射小车6的右端，其内部通过隔板27分成左右两个装水槽。
作为本专利选择的一种技术方案，往复直线牵引机构包括丝杆导轨4、牵引绳3、滑轮机构2和转速可控的直流电机5；
滑轮机构2和直流电机5分别安装在基板1顶面的左右两端，直流电机5沿前后方向布置，滑轮机构2包括滑轮支架和安装在滑轮支架上的定滑轮；
丝杆导轨4沿左右方向布置并位于滑轮机构2与直流电机5之间，弹射小车6的行走轮支撑在丝杆导轨4上并可沿左右方向运动；
牵引绳3缠绕在直流电机5的转轴上，其一端作为往复直线牵引机构的右向牵引端并与弹射小车6的右端连接，其另一端作为往复直线牵引机构的左向牵引端，并绕过滑轮机构2的定滑轮后与弹射小车6的左端连接。
作为本专利选择的一种技术方案，弹射小车6行走轮的环面设置有支撑卡在丝杆导轨4上的凹槽，从而提高弹射小车6在丝杆导轨4上的稳定性。
作为本专利选择的一种技术方案，基板1上安装有正转开关7、反转开关8、电源开关9和调速电位器10，正转开关7和反转开关8分别用于控制直流电机5的正转和反转，电源开关9用于控制电磁弹射装置的电源通断和直流电机5的电源通断，调速电位器10用于控制直流电机5的转速。
作为本专利选择的一种技术方案，电磁弹射装置包括电磁铁架15、安装在电磁铁架15内的电磁线圈16、由上至下穿过电磁线圈16和电磁铁架15的杆状磁铁铁芯17、安装在塑料杯11底口处的纵向限位导向筒18、置于纵向限位导向筒18内并套在磁铁铁芯17上端的压缩弹簧19、用于为电磁线圈16提供电源的直流电源20、用于控制电磁线圈16断开电源的霍尔磁控开关21,磁铁铁芯17的上端固定设置有弹簧卡板，压缩弹簧19压缩在所述弹簧卡板与电磁铁架15之间。
作为本专利选择的一种技术方案，霍尔磁控开关21配置有两个霍尔传感器13和两个磁铁14，弹射小车6的前后两侧均布置有一个霍尔传感器13和一个磁铁14，两个霍尔传感器13分别固定在弹射小车6的前后两侧壁，两个磁铁14均固定在基板1上，霍尔传感器13与磁铁14一一对应。
作为本专利选择的一种技术方案，装砂盒支撑台25为倒置的u型板结构，其与基板1之间通过可拆卸式连接结构固定，在安装时，装砂盒支撑台25与牵引绳3和丝杆导轨4之间均不接触，以免影响弹射小车6的运行。
作为本专利选择的一种技术方案，装水盒26与弹射小车6之间为通过螺栓连接的可拆卸式结构，其盒底与弹射小车6之间通过三角筋板连接加固，保证了装水盒26的结构稳定性。
作为本专利选择的一种技术方案，所述基板1的顶面安装有水平仪，用于检测基板1是否水平，如出现倾斜，应先进行调整。
本发明的工作原理如下：
本专利中采用了丝杆导轨4作为弹性小车的直线导轨，一是保证小车向前运动时车轮不打滑，二是保证停车过程中具有足够大的摩擦力，利于弹射小车6实现快速停车；弹射小车6在丝杆导轨4上的左右移动是通过直流电机5的正反转来带动牵引绳3拖动弹射小车6左右直线运动，其运动速度通过调速电位器10控制，可控制其做匀速运动、加速运动或者减速运动。
在演示运动的物体具有惯性时，首先使电磁弹射装置的电磁线圈16通电，磁铁铁芯17在磁力的作用下使压缩弹簧19压缩，塑料球12处于塑料杯11底部，启动直流电机5，使弹射小车6运动到最左端或最右端然后停下，调节好调速电位器10后让弹射小车6从最左边或最右边开始以一定的速度作匀速运动，当弹射小车6上的霍尔传感器13运动到磁铁14所在的位置时，霍尔磁控开关21触发工作，切断电磁线圈16的电源，断电后磁铁铁芯17的磁力消失，磁铁铁芯17在压缩弹簧19的作用下将塑料杯11中的塑料球12高高弹起，此时被竖直弹起的塑料球12由于在水平方向不受力，所以它将保持原有的匀速直线运动状态，即在水平方向上继续做匀速直线运动，经过一定时间后塑料球12又会落到塑料杯11中，如让电机反转也可观察到同样的实验现象，通过调速电位器10改变直流电机5的转速，弹射小车6做匀速运动的速度也将改变，尽管小车做匀速直线运动的速度发生了改变，但是被竖直弹起的塑料球12由于水平方向不受力仍然满足惯性定律的条件，塑料球12还是会落回原来的塑料杯11中；
如果弹射小车6运动到基板1上的磁铁14位置附近，并让弹射小车6突然加速或减速，此时塑料球12在水平方向会受到力的作用，不再满足惯性定律的条件，那么被竖直弹出的塑料球12将不能落回原来的塑料杯11中，如果弹射小车6此时加速，则弹出去的塑料球12会掉到弹射小车6后面，如果小车减速弹出的塑料球12会落到弹射小车6前面，所以在弹射小车6加速和减速时弹出的塑料球12都不能落回原来的塑料杯11中；
如果是在弹射小车6静止的时候将塑料球12弹射出去，塑料球12在水平方向仍然满足惯性定律的条件，塑料球12弹射前水平方向处于静止，弹射后塑料球12水平方向仍然处于静止，所以弹出的塑料球12仍然会落回原来的塑料杯11中。
在演示静止的物体具有惯性时，可选择使电磁弹射装置的电磁线圈16一直通电，遮挡基板1上的磁铁14，防止霍尔磁控开关21工作，避免塑料球12被弹起；
将金属球限位盒22左侧的金属球23限位板拆下，金属球23保持不与金属球限位盒22的内侧壁接触，让弹射小车6以较大的速度突然启动，此时会观察到弹射小车6运动离开了，但金属球23会掉入其下方装有砂子的装砂盒24中，即弹射小车6离开后金属球23仍然保持水平方向静止不动落在其初始位置的正下方，从而演示静止的物体有惯性。
在演示液体具有惯性时，在装水盒26的其中一个装水槽内装入颜料水，另一个装水槽不装，让弹射小车6向装水的一侧突然运动，那么颜料水会翻过隔板27向另一个空装水槽运动；反之，如果在弹射小车6运动的过程中，其中运动方向的前装水槽内装入颜料水，后装水槽不装，让弹射小车6突然停下，那么颜料水也会翻过隔板27向原空装水槽内运动，这样就演示了液体也有惯性。
按照上述实施方式，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。