伽利略斜槽实验演示仪的制作方法

本实用新型属于物理实验设备技术领域，具体地说涉及一种伽利略斜槽实验演示仪。

背景技术：

伽利略在研究自由落体运动的时候，首先进行了猜想：做自由落体运动的物体其v∝t，但是由于实验条件非常落后，无法测量落体的v，以及所用的时间t，于是，伽利略转换了研究对象并巧妙的证明了：如果做自由落体运动的物体的v∝t，那么物体发生的x∝t²，这样一来就用可以测量的x替代了不便测量的v，即便如此，这个时间也太短，当时没有计时器，时间依然无法测量，于是伽利略设计了著名的斜槽实验，成功的“冲淡了”重力的作用,证明了:从斜槽上由静止释放的球体其x∝t²也成立的结论,间接证明了伽利略对自由落体运动的猜想。但是,这个最精彩的斜槽实验在教材中没有相应的实验演示仪，而是用文字来陈述，这样很不严谨，学生理解起来也很抽象，且没有说服力，不利于学生学科素养的培养。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种伽利略斜槽实验演示仪，本实用新型能够将伽利略对自由落体运动的科学猜想直观、准确地呈现出来，对学生养成严谨的科学态度，提高学生的学科素养有积极作用。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种伽利略斜槽实验演示仪，其特征在于：包括控制器、安装板、导轨、球体、电磁继电器、光电计时器a和光电计时器b，所述安装板包括底板和与底板连接的调节件，所述调节件用于调节底板的倾斜角度；所述导轨、光电计时器a和光电计时器b均固定在底板上，球体放置在导轨上，电磁继电器固定在导轨上用于吸附球体；光电计时器a与电磁继电器连接，光电计时器a和光电计时器b的光电门均设置在导轨的两侧，光电计时器a和光电计时器b均与控制器连接。

所述电磁继电器固定在导轨的一端，导轨的另一端固定设置有收集框。

所述底板上设置有与导轨相平行的刻度。

所述导轨由两根不锈钢钢管平行排布而成。

所述底板通过铰链与调节件连接。

所述控制器包括单片机、显示屏和无线通讯模块，单片机分别与显示屏和无线通讯模块连接，控制器通过无线通讯模块分别与光电计时器a和光电计时器b连接。

采用本实用新型的优点在于：

1、本实用新型采用控制器、安装板、导轨、球体、电磁继电器、光电计时器a和光电计时器b组成，在使用过程中，由控制器同步控制光电计时器，能使计时精度达到0.01s。采用与光电计时器a连接的电磁继电器吸附并释放球体，让球体的运动和计时得以完全同步进行，减少了实验的偶然误差。控制器可放置在底板上，也可灵活地放置在任意位置，便于投影实验结果。且在实验过程中，可将球体通过两套光电计时器的两段距离设置成合适的比例，从而能够测得球体通过两段距离所对应的时间比，这就能够非常准确、直观的证明距离x与时间t²成正比的猜想。在实验过程中通过调节件调节底板的角度，使导轨的倾角在0-90度之间进行调整，结果都成立，从而证明了球体在斜槽上的运动和自由落体运动的规律相同，是同种性质的运动，伽利略对自由落体运动的科学猜想得以证明，实验操作简单，现象直观，结果准确，解决了学生的困惑，让物理课更有实验研究的味道，学生的学科素养得到了更好的培养。

2、本实用新型在导轨的另一端固定设置有收集框，通过收集框便于球体运动后的自动收集。

3、本实用新型在底板上设置有与导轨相平行的刻度，通过该刻度便于准确设置两段位移的比例，进而准确地证明位移x与时间t²成正比的猜想。

4、本实用新型中的导轨由两根不锈钢钢管平行排布而成，具有结构简单、成本低廉、实验效果好等优点。

5、本实用新型中的底板通过铰链与调节件连接，具有灵活方便地调节底板上的导轨倾斜度的优点。

6、本实用新型中的控制器包括单片机、显示屏和无线通讯模块，单片机分别与显示屏和无线通讯模块连接，控制器通过无线通讯模块分别与光电计时器a和光电计时器b连接。控制器能够远程放置在任意位置并投影显示实验结果，使用更方便。

附图说明

图1为本实用新型的主视结构示意图；

图2为本实用新型中底板的俯视结构示意图；

图中标号为：1、控制器，2、导轨，3、球体，4、电磁继电器，5、光电计时器a，6、光电计时器b，7、底板，8、调节件，9、单片机，10、显示屏，11、无线通讯模块，12、光电门，13、计时模块，14、通信模块，15、收集框。

具体实施方式

一种伽利略斜槽实验演示仪，包括控制器1、安装板、导轨2、球体3、电磁继电器4、光电计时器a5和光电计时器b6，所述安装板包括底板7和与底板7连接的调节件8，所述调节件8用于调节底板7的倾斜角度；所述导轨2、光电计时器a5和光电计时器b6均固定在底板7上，控制器1既可设置在底板7上，也可设置在底板7外的其它任意区域，球体3放置在导轨2上，电磁继电器4固定在导轨2上用于吸附球体3；光电计时器a5与电磁继电器4连接，光电计时器a5和光电计时器b6的光电门12均设置在导轨2的两侧，光电计时器a5和光电计时器b6均与控制器1连接。

本实用新型中，所述控制器1和光电计时器均为现有市售常规产品，电磁继电器4也可以有多种型号，通讯模块也有多种型号。如控制器1可采用stm32系列单片机来实现，光电门计时器可以采用stc15w系列单片机来实现等，通讯模块可采用ttl/485串口转无线的无线数传收发模块等。其中，所述控制器1包括单片机9、显示屏10、计时开关和无线通讯模块11，显示屏10按照需求可大可小，单片机9分别与显示屏10、计时开关和无线通讯模块11连接，控制器1通过无线通讯模块11分别与光电计时器a5和光电计时器b6连接。所述光电计时器a5和光电计时器b6均包括光电门12、计时模块13（相当于单片机，通过单片机实现计时）和通信模块14，计时模块13分别与光电门12和通信模块14连接，计时模块13通过通信模块14和无线通讯模块11与控制器1连接，且优选控制器1与光电计时器为无线连接。

本实用新型中，所述电磁继电器4固定在导轨2的一端，导轨2的另一端固定设置有用于收集球体3的收集框15。所述底板7上设置有与导轨2相平行的刻度。所述导轨2由两根不锈钢钢管平行排布而成。所述底板7通过铰链与调节件8连接。

本实用新型中，所述球体3优选采用铁球，便于电磁继电器4稳定吸附，但也可采用其它材质的便于电磁继电器4稳定吸附的球体。所述调节件8优选采用板体结构，但也可采用升降杆结构，以能够有效调节底板7倾斜角度为佳。

本实用新型的实验原理为：

如图1、2所示，将球体3吸附在电磁继电器4上时球体3下边缘所处位置设置为0cm刻度，将光电计时器a5的光电门12设置在20cm刻度处，将光电计时器b6设置在80cm刻度处，其中球体3与光电计时器a5和球体3与光电计时器b6之间的距离可调，本实用新型优选将两段距离设置为1：4。设置完成后，通过调节件8调节底板7上导轨2的角度，以先调节底板7角度至30度为例，调节后使电磁继电器4通电，将球体3吸附在电磁继电器4上，此时球体3的下边缘位于0cm刻度处，然后按下计时开关，控制器1将计时指令发送给光电计时器和电磁继电器4，电磁继电器4释放球体3时，光电计时器a5和光电计时器b6同时开始计时，球体3沿倾斜的导轨2滚下做匀变速直线运动，当球体3经过光电计时器a5时，球体3挡住激光，光电计时器停止计时，并将记录的t1（球体3从0cm到20cm这一段距离x1=20cm所用的时间）发送至控制器1。当球体3经过光电计时器b6时，球体3挡住激光，光电计时器b6停止计时，并将记录的t2（球体3从0cm到80cm这一段距离x2=80cm所用的时间）发送至控制器1；控制器1接收并显示t1和t2，由于x1：x2=1:4，只需要t1：t1=1:2，伽利略的猜想就能得以证明（距离比也可以是任意比例，结果同样成立），改变导轨2倾角（0到90度之间）重复上述过程，所得时间之比任然满足经t1：t1=1:2，多次实验，在误差允许范围内时间之比严格满足1:2。由此可知，本实用新型演示效果很好。学生信服，解决了学生的困惑，让物理课更有实验研究的味道，学生的学科素养得到了更好的培养。