一种物理实验教学用摩擦力测试系统的制作方法

本发明涉及物理教学实验教具技术领域，具体涉及一种物理实验教学用摩擦力测试系统。

背景技术：

当前，在物理教学方面，有很多理论教学知识点需要结合实验演示教学进行展示，如此方便学生理解教学知识，也方便老师结合实验进行教学演示。在当前的摩擦力教学实验过程中，通常采用的实验教学方法，就是直接采用一个弹簧拉力计进行手动牵拉测试，实现实验演示。但是这种测试方式相对不够规范，手动牵拉速度相对不稳定，对于摩擦力的测试相对不够稳定，难以很好的说明问题；同时，现有的测试装置自动化程度较低，需要进一步加强提高。

因此，基于上述，本申请提供一种物理实验教学用摩擦力测试系统，通过该系统的设计，使教师能够很好地进行实验演示，方便教师能够结合理论教学和实验演示进行摩擦力问题教学与说明，并结合调速马达的作用，实现测试块匀速运动，如此实现测试数据的稳定性，提高测试系统的智能化程度，进而解决现有技术存在的测试数据不稳定的不足和缺。

技术实现要素：

本发明的目的就在于：针对目前存在的上述问题，提供一种物理实验教学用摩擦力测试系统，通过该系统的设计，使教师能够很好地进行实验演示，方便教师能够结合理论教学和实验演示进行摩擦力问题教学与说明，并结合调速马达的作用，实现测试块匀速运动，如此实现测试数据的稳定性，进而解决现有技术存在的测试数据不稳定的不足和缺。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种物理实验教学用摩擦力测试系统，包括长方体结构的安装台以及与安装台固定焊接为一体结构的长方体支撑台；所述安装台的顶面固定粘接有一层粘胶层，粘胶层上表面固定粘接表面光滑的滑板；所述滑板的两侧固定焊接安装有方形板结构的侧板；所述滑板的上表面开设有方形板槽，在方形板槽内部间隙配合安装有可拆卸的方形摩擦板；摩擦板采用不同材质制备有多块；摩擦板上表面放置安装有方形块结构的测试块；所述测试块的上部开设有方形槽结构的凹槽，测试块的中部四周开设有弧形槽，测试块的底部固定粘接安装有方形板结构的摩擦块；所述摩擦块设置底面粗糙度不同的规格类型以及材质不同的类型；所述测试块的底面阵列开设有多个锥形孔，摩擦块的上表面阵列设置有多个与所述锥形孔相匹配的锥形钉；所述锥形钉固定嵌入所述锥形孔中进行固定连接，摩擦块与测试块的接触面之间设置粘胶固定连接；所述摩擦块的外形与所述凹槽的尺寸相互匹配，测试块之间通过摩擦块嵌入到凹槽中进行间隙配合安装；所述测试块中部的弧形槽内通过捆绑绳进行捆绑固定安装；所述捆绑绳上串接安装有方形块结构的牵拉头，所述牵拉头的后部两侧开设有圆形通孔结构的牵拉孔；所述牵拉孔的顶面和底面开设有圆形通孔结构的固定孔；所述捆绑绳穿过牵拉孔进行安装，牵拉头通过捆绑绳捆绑安装在测试块的右端面上；所述滑板的右端上表面固定焊接有方形板结构的挡板，所述挡板的左侧阵列排列固定焊接有多根弹簧，所述弹簧的另一端固定焊接方形板结构的缓冲板，所述缓冲板与挡板上均水平对应开设有圆孔形结构的连通孔；所述牵拉头外端的固定孔中固定捆绑有牵拉绳，牵拉绳的另一端固定捆绑连接有测力计，所述测力计的另一端再次固定捆绑连接；另一根牵拉绳，该牵拉绳的另一端穿过所述连通孔，且与转轴固定捆绑连接；所述转轴为调速马达的输出轴，调速马达通过螺钉固定安装在支撑台上，所述支撑台上还安装有与调速马达相配套的调速控制器；所述安装台的前侧开设有方形孔结构的安装槽，所述安装槽内部间隙配合安装有塑料抽屉，所述抽屉的外端面中心位置设置有有圆柱形结构的塑料手柄，所述手柄与抽屉之间为一体结构；所述安装台与支撑台的底面为共面结构，且安装台与支撑台的共同底面4个拐角位置通过螺钉固定安装有脚轮；

所述支撑台的顶面还设置有用于控制马达开关的智能控制器；所述智能控制器一端接口连接2个压力传感器；所述压力传感器对称固定安装在挡板的左侧面，且压力传感器的左端面与缓冲板之间留有间隙空间；所述智能控制器的另一端接口连接有第二马达开关；第二马达开关与第一马达开关、调速电机共同串联成通电回路；其中，第一马达开关设置在调速控制器上；在压力传感器未检测到压力信号时，第二马达开关处于闭合状态；当压力传感器检测到压力信号时，第二马达开关切换为断开状态；所述第一马达开关的闭合与断开采用手动操作方式实现。

如上所述的一种物理实验教学用摩擦力测试系统的使用方法，首先，测试块采用多块相同尺寸规格的金属方块，测试块底部的摩擦块采用不同摩擦系数的块体进行安装；所述测试块以及所需的测力计、捆绑绳以及牵拉绳都放置在抽屉内部；在需要进行摩擦力测试演示实验时，教师可以根据需要选择底部设置不同摩擦系数的测试块进行测试实验；同时，在需要增加摩擦力时，将多块测试块进行堆叠安装，上下测试块之间通过摩擦块嵌入凹槽中进行堆叠，实现接触压力的增加，如此增加摩擦力大小；摩擦板的类型也可以根据需要进行更换安装；其次，将测试块放置在摩擦板上表面之后，在最底层的测试块外部捆绑固定安装牵拉头，牵拉头固定在该测试块的右端面位置；然后在牵拉头右端固定捆绑连接牵拉头，然后在牵拉头右端的牵拉绳上固定捆绑连接测力计的一端，测力计的另一端则再次捆绑固定连接另一根牵拉绳，该段牵拉绳的外端直接穿过挡板和缓冲板内部的连通孔，并将该段牵拉绳的外端直接固定捆绑在转轴上；再次，上述准备工作完成之后，通过调速控制器打开调速马达的电源，并调节调速马达的旋转速度，使调速马达按照设定的速度进行定速旋转，实现牵拉测试块匀速向前直线运动的目的，此时教师通过观察测力计上的测量力度，就可以实现滑动摩擦力的测试，而且通过放置不同数量的测试块，可以测试不同大小的滑动摩擦力；通过更换不同材质的摩擦板，还可以测试不同接触面的摩擦系数；摩擦系数的计算，可以通过在测试之前将测试块进行质量测量，以方便计算压力大小，由于摩擦块的尺寸可以按照设定尺寸型号进行加工设置，因此只要预先获得或测量摩擦块底面的面积即可；最后，在需要测定静摩擦力大小时，仍然可以采用与上述方法相同或类似的方法，通过调速马达驱动转轴旋转，将牵拉绳缠绕在转轴上，将转速调慢，对测试块进行缓慢牵拉，如此可以测试所述测试块未滑动之前的静摩擦力；或者采用手动牵拉所述牵拉绳的方式，测试静摩擦力；当实验测试结束之后，将所有测试块以及牵拉绳、测力计、牵拉头进行收拢，放入抽屉内部进行保存；在搬运该测试系统时，教师直接推动所述安装台，通过脚轮的滚动实现装置的搬运移动；当测力计与缓冲板接触，将缓冲板带动与压力传感器接触挤压时，压力传感器将压力信号传输给智能控制器，智能控制器对信号进行分析，并作出断开第二马达开关的指令下发，控制第二马达开关断开，此时调速马达停止旋转。

优选的，所述测力计为弹簧测力计；所述调速马达为无级变速马达。

优选的，所述抽屉的外形为方形槽结构，所述滑板的厚度为2mm-3mm，滑板为光滑不锈钢板，滑板的底面为粗糙表面。

优选的，所述摩擦块的厚度为1mm-2mm，摩擦块的底面为粗糙平面。

优选的，所述缓冲板的宽度与挡板的宽度相等，缓冲板的长度小于挡板的长度。

优选的，所述牵拉绳的直径为0.5mm-1mm，所述捆绑绳的直径为0.5mm-1mm。

优选的，所述连通孔的孔径大于牵拉绳的直径；所述转轴旋转牵拉测试块时，所述牵拉头上下表面的对称中面与所述转轴的上部弧形面相切，确保转轴旋转时，牵动牵拉绳沿着水平面方向做直线运动。

需要说明的是，本申请中使用的测力计可以为弹簧测力计，采用牌号为g＆g/双杰品牌的测力计，具体型号为nkltz。所述调速马达为调速无级变速马达，采用的品牌为freud的产品，调速电机型号可选择调速电机60w/120w/250w/300w进行使用。在调速马达使用时，本申请使用的控制器为与该马达相配套的控制器，该控制器为厂家配套产品，具体销售店可参考欧得克自动化专营店。调速马达的固定安装，借助的装置是与该马达配套的固定框架，在具体安装时，该固定框的前端与马达的前端通过螺钉固定安装，固定框的底部则通过螺钉进行固定安装，如此实现调速马达的固定使用。另外，本申请中的转轴，也是马达配套安装的电机轴，本身与马达配套安装的。另外，脚轮可以采用edl/易得力品牌的产品，脚轮的型号可参选50113-503-86，材质可采用高强度聚氨酯tpu，脚轮通过螺钉固定安装在安装台以及支撑台的底面。粘胶层可以采用乳胶等粘胶物质进行使用。所述智能控制器为与压力传感器配套的控制设备，压力传感器采用中皖金诺生产的产品，其颜色分类为0-3t，输出类别为模拟传感器，传感器类别为压力敏和力敏传感器，具体安装方式则采用螺钉固定安装在挡板上，具体量程根据具体需要选择。

需要进一步说明的是：本申请的牵拉绳一端是通过调速马达的旋转进行缠绕在转轴上的，当一次摩擦力测试结束之后，在进行二次摩擦力测试时，将缠绕在转轴上的牵拉绳卸下，然后再次进行实验。当牵拉绳卸下，释放压力信号时，第二马达开关会闭合。因此，在一次测试结束之后，需要将第一马达开关断开，如此使调速马达的电路回路处于2个开关均断开的状态。如此，在使压力传感器压力释放之后，只有第二马达开关闭合，第一马达开关断开，调速马达不通电。下一次实验的准备工作做好之后，闭合第一马达开关，此时调速马达又再次通电，带动转轴旋转，进行新的摩擦力测试实验。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本申请一方面通过将测试块的设置，教师可以通过堆叠不同数量的测试块，测试不同压力大小条件下的摩擦力。同时，通过调节马达的安装，可以方便转轴定速运动，牵动测试块匀速运动，如此方便按照理论方法测试滑动摩擦力的大小，教师也可以根据实际情况进行理论公式验证。另外，本申请的测试系统，还可以进行静摩擦力的测试。

另一方面，本申请的缓冲板设置，可以方便教师在测试摩擦力时，万一出现测试块撞击缓冲板，可以起到一定的缓冲作用。而在具体调速过程中，教师可以通过打开调速控制器上的第一马达开关打开或关闭，如此控制马达的旋转与停止；此外还可以通过压力检测信号的判断，由智能控制器控制调速马达的电源断开。

再一方面，本申请通过脚轮的设置安装，可以方便教师在实验过程中搬运和移动该测试系统。通过该测试系统的设置，教师在演示摩擦力实验操作教学时，能够实现比较稳定的摩擦力测试，实现静摩擦力和滑动摩擦力的测试操作。通过不同材质类型的摩擦块设置以及摩擦板安装，教师还可以进行不同材质摩擦力测试的教学，如此说明摩擦力与接触面的材质相关，同时也与粗糙度有关，因此能够方便教师能够比较系统详细的进行理论实验和验证。这种方式的优点还在于：有效解决了传统测试方式只能更换滑动摩擦块进行测试的方式，本申请不仅实现测试块底部的摩擦块可以选择更换，底部摩擦块也可以根据需要进行选择更换，更利于摩擦力测试的系统研究。

最后，本申请采用压力传感器和智能控制器控制调速马达的方式，提高了测试系统的智能化程度，通过上述技术方案的设置，为教师的教学和研究提供了良好的辅助用具，为推进中学物理实验教学发展起到了较好的积极推动作用。此外，通过本方案的设计，相对于当前仅仅通过弹簧缓冲的技术方案来说，其安全性更高，能够有效避免大力度的缓冲板和挡板冲击，更加利于系统挡板以及缓冲板的保护。

因此，本申请的技术方案具备较好的实用价值及推广价值，利于推广和实验教学使用。

附图说明

图1为本发明的侧面结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的测试块安装结构示意图；

图4为本发明图1的a部结构示意图；

图5为本发明的电路连接结构示意图。

图中：1、安装台；2、支撑台；3、侧板；4、滑板；5、粘胶层；6、测试块；7、捆绑绳；8、牵拉头；9、牵拉绳；10、测力计；11、缓冲板；12、弹簧；13、挡板；14、调速马达；15、转轴；16、抽屉；17、手柄；18、安装槽；19、脚轮；20、调速控制器；21、连通孔；22、凹槽；23、弧形槽；24、牵拉孔；25、固定孔；26、锥形钉；27、摩擦块；28、摩擦板；29、压力传感器；30、智能控制器；31、第一马达开关；32、第二马达开关。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、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。

实施例1，如图1-5所示：

一种物理实验教学用摩擦力测试系统，包括长方体结构的安装台1以及与安装台1固定焊接为一体结构的长方体支撑台2；所述安装台1的顶面固定粘接有一层粘胶层5，粘胶层5上表面固定粘接表面光滑的滑板4；所述滑板4的两侧固定焊接安装有方形板结构的侧板3；所述滑板4的上表面开设有方形板槽，在方形板槽内部间隙配合安装有可拆卸的方形摩擦板28；摩擦板28采用不同材质制备有多块；摩擦板28上表面放置安装有方形块结构的测试块6；所述测试块6的上部开设有方形槽结构的凹槽22，测试块6的中部四周开设有弧形槽23，测试块6的底部固定粘接安装有方形板结构的摩擦块27；所述摩擦块27设置底面粗糙度不同的规格类型以及材质不同的类型；所述测试块6的底面阵列开设有多个锥形孔，摩擦块27的上表面阵列设置有多个与所述锥形孔相匹配的锥形钉26；所述锥形钉26固定嵌入所述锥形孔中进行固定连接，摩擦块27与测试块6的接触面之间设置粘胶固定连接；所述摩擦块27的外形与所述凹槽22的尺寸相互匹配，测试块6之间通过摩擦块27嵌入到凹槽22中进行间隙配合安装；所述测试块6中部的弧形槽23内通过捆绑绳7进行捆绑固定安装；所述捆绑绳7上串接安装有方形块结构的牵拉头8，所述牵拉头8的后部两侧开设有圆形通孔结构的牵拉孔24；所述牵拉孔24的顶面和底面开设有圆形通孔结构的固定孔25；所述捆绑绳7穿过牵拉孔24进行安装，牵拉头8通过捆绑绳7捆绑安装在测试块6的右端面上；所述滑板4的右端上表面固定焊接有方形板结构的挡板13，所述挡板13的左侧阵列排列固定焊接有多根弹簧12，所述弹簧12的另一端固定焊接连接方形板结构的缓冲板11，所述缓冲板11与挡板13上均水平对应开设有圆孔形结构的连通孔21；所述牵拉头8外端的固定孔25中固定捆绑有牵拉绳9，牵拉绳9的另一端固定捆绑连接有测力计10，所述测力计10的另一端再次固定捆绑连接；另一根牵拉绳9，该牵拉绳9的另一端穿过所述连通孔21，且与转轴15固定捆绑连接；所述转轴15为调速马达14的输出轴，调速马达14通过螺钉固定安装在支撑台2上，所述支撑台2上还安装有与调速马达14相配套的调速控制器20；所述安装台1的前侧开设有方形孔结构的安装槽18，所述安装槽18内部间隙配合安装有塑料抽屉16，所述抽屉16的外端面中心位置设置有有圆柱形结构的塑料手柄17，所述手柄17与抽屉16之间为一体结构；所述安装台1与支撑台2的底面为共面结构，且安装台1与支撑台2的共同底面4个拐角位置通过螺钉固定安装有脚轮19。

所述支撑台2的顶面还设置有用于控制马达开关的智能控制器30；所述智能控制器30一端接口连接2个压力传感器29；所述压力传感器29对称固定安装在挡板13的左侧面，且压力传感器29的左端面与缓冲板11之间留有间隙空间；所述智能控制器30的另一端接口连接有第二马达开关32；第二马达开关32与第一马达开关31、调速电机14共同串联成通电回路；其中，第一马达开关31设置在调速控制器20上；在压力传感器29未检测到压力信号时，第二马达开关32处于闭合状态；当压力传感器29检测到压力信号时，第二马达开关32切换为断开状态；所述第一马达开关31的闭合与断开采用手动操作方式实现。

如上所述的一种物理实验教学用摩擦力测试系统的使用方法，首先，测试块6采用多块相同尺寸规格的金属方块，测试块6底部的摩擦块27采用不同摩擦系数的块体进行安装；所述测试块6以及所需的测力计10、捆绑绳7以及牵拉绳9都放置在抽屉16内部；在需要进行摩擦力测试演示实验时，教师可以根据需要选择底部设置不同摩擦系数的测试块6进行测试实验；同时，在需要增加摩擦力时，将多块测试块6进行堆叠安装，上下测试块6之间通过摩擦块27嵌入凹槽22中进行堆叠，实现接触压力的增加，如此增加摩擦力大小；摩擦板28的类型也可以根据需要进行更换安装；其次，将测试块6放置在摩擦板28上表面之后，在最底层的测试块6外部捆绑固定安装牵拉头8，牵拉头8固定在该测试块6的右端面位置；然后在牵拉头8右端固定捆绑连接牵拉头8，然后在牵拉头8右端的牵拉绳9上固定捆绑连接测力计10的一端，测力计10的另一端则再次捆绑固定连接另一根牵拉绳9，该段牵拉绳9的外端直接穿过挡板13和缓冲板11内部的连通孔21，并将该段牵拉绳9的外端直接固定捆绑在转轴15上；再次，上述准备工作完成之后，通过调速控制器20打开调速马达14的电源，并调节调速马达14的旋转速度，使调速马达14按照设定的速度进行定速旋转，实现牵拉测试块6匀速向前直线运动的目的，此时教师通过观察测力计10上的测量力度，就可以实现滑动摩擦力的测试，而且通过放置不同数量的测试块6，可以测试不同大小的滑动摩擦力；通过更换不同材质的摩擦板28，还可以测试不同接触面的摩擦系数；摩擦系数的计算，可以通过在测试之前将测试块6进行质量测量，以方便计算压力大小，由于摩擦块27的尺寸可以按照设定尺寸型号进行加工设置，因此只要预先获得或测量摩擦块27底面的面积即可；最后，在需要测定静摩擦力大小时，仍然可以采用与上述方法相同或类似的方法，通过调速马达14驱动转轴15旋转，将牵拉绳9缠绕在转轴15上，将转速调慢，对测试块6进行缓慢牵拉，如此可以测试所述测试块6未滑动之前的静摩擦力；或者采用手动牵拉所述牵拉绳9的方式，测试静摩擦力；当实验测试结束之后，将所有测试块6以及牵拉绳9、测力计10、牵拉头8进行收拢，放入抽屉16内部进行保存；在搬运该测试系统时，教师直接推动所述安装台1，通过脚轮19的滚动实现装置的搬运移动；当测力计10与缓冲板13接触，将缓冲板13带动与压力传感器29接触挤压时，压力传感器29将压力信号传输给智能控制器30，智能控制器30对信号进行分析，并作出断开第二马达开关32的指令下发，控制第二马达开关32断开，此时调速马达停止旋转

优选的，所述测力计10为弹簧测力计10；所述调速马达14为无级变速马达。

优选的，所述抽屉16的外形为方形槽结构，所述滑板4的厚度为2mm-3mm，滑板4为光滑不锈钢板，滑板4的底面为粗糙表面。

优选的，所述摩擦块27的厚度为1mm-2mm，摩擦块27的底面为粗糙平面。

优选的，所述缓冲板11的宽度与挡板13的宽度相等，缓冲板11的长度小于挡板13的长度。

优选的，所述牵拉绳9的直径为0.5mm-1mm，所述捆绑绳7的直径为0.5mm-1mm。

优选的，所述连通孔21的孔径大于牵拉绳9的直径；所述转轴15旋转牵拉测试块6时，所述牵拉头8上下表面的对称中面与所述转轴15的上部弧形面相切，确保转轴15旋转时，牵动牵拉绳9沿着水平面方向做直线运动。

需要说明的是，本申请中使用的测力计10可以为弹簧测力计10，采用牌号为g＆g/双杰品牌的测力计10，具体型号为nkltz。所述调速马达14为调速无级变速马达，采用的品牌为freud的产品，调速电机型号可选择调速电机60w/120w/250w/300w进行使用。在调速马达14使用时，本申请使用的控制器20为与该马达相配套的控制器20，该控制器20为厂家配套产品，具体销售店可参考欧得克自动化专营店。调速马达14的固定安装，借助的装置是与该马达配套的固定框架，在具体安装时，该固定框的前端与马达的前端通过螺钉固定安装，固定框的底部则通过螺钉进行固定安装，如此实现调速马达14的固定使用。另外，本申请中的转轴15，也是马达配套安装的电机轴，本身与马达配套安装的。另外，脚轮19可以采用edl/易得力品牌的产品，脚轮19的型号可参选50113-503-86，材质可采用高强度聚氨酯tpu，脚轮19通过螺钉固定安装在安装台1以及支撑台2的底面。

本申请一方面通过将测试块6的设置，教师可以通过堆叠不同数量的测试块6，测试不同压力大小条件下的摩擦力。同时，通过调节马达的安装，可以方便转轴15定速运动，牵动测试块6匀速运动，如此方便按照理论方法测试滑动摩擦力的大小，教师也可以根据实际情况进行理论公式验证。另外，本申请的测试系统，还可以进行静摩擦力的测试。

另一方面，本申请的缓冲板11设置，可以方便教师在测试摩擦力时，万一出现测试块6撞击缓冲板11，可以起到一定的缓冲作用。而在具体调速过程中，教师可以通过打开控制器20上的电源开关打开或关闭马达的电源，如此控制马达的旋转与停止。

再一方面，本申请通过脚轮19的设置安装，可以方便教师在实验过程中搬运和移动该测试系统。通过该测试系统的设置，教师在演示摩擦力实验操作教学时，能够实现比较稳定的摩擦力测试，实现静摩擦力和滑动摩擦力的测试操作。通过不同材质类型的摩擦块27设置，教师还可以进行不同材质摩擦力测试的教学，如此说明摩擦力与接触面的材质相关，同时也与粗糙度有关，因此能够方便教师能够比较系统详细的进行理论实验和验证。

因此，本申请的技术方案具备较好的实用价值及推广价值，利于推广和实验教学使用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。