动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪的制作方法

本实用新型涉及教学实验用具技术领域，尤其涉及动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪。

背景技术：

在能量转化实验中：动量守恒动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪是物理教学中常用的验证动量守恒的装置，物理学上动量守恒定律的内容是：一个系统不受外力或所受合力之和为零，这个系统的总动量保持不变，这个结论叫做动量守恒定律。现有的动量守恒动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪一般为两个小车以及打点计时器等，通过打点计时器测量两个小车碰撞时的速度来计算两个小车实现碰撞过程的动量守恒能量转化。但是打点计时器会存在很多问题，尤其是会产生较大的误差，也使实验操作比较麻烦。

弹性势能发生弹性形变的物体的各部分之间，由于有弹力的相互作用，也具有势能，这种势能叫做弹性势能。同一弹性物体在一定范围内形变越大，具有的弹性势能就越多，反之，则越小。现有高中物理课堂上接触到的弹性势能问题，大多是通过单个弹簧为例讲解，但是对弹性势能的转化过程理解不够深入，因为这方面的演示装置较少，学生很难直观的理解弹性势能和动能之间的转化；而且弹性势能转化为动能的没有实验数据支撑，说服力不强。

基于此，本案由此产生。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型提供了动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪，可以作为探究动量守恒定律、动能定律、弹性势能转化为动能的实验装置，具有实验误差小、操作简单的特点。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪，包括底座、安装于底座上的滑轨、安装于滑轨上的小车一和小车二、安装于滑轨一端的弹簧释放器、安装于小车一上的光发射器、以及安装于滑轨一侧的显色板；所述显色板上贴附有显色纸；所述显色纸通过接收光发射器发出的特定波长的光而显色；所述弹簧释放器包括释放开关和若干弹簧；所述小车一与弹簧释放器固定并压缩弹簧，所述小车一通过释放开关释放；小车一的前端和小车二的尾端设有相互碰撞后能组合为整体的组件。

作为优选，所述弹簧释放器还包括固定于滑轨上的固定板，固定板上安装有若干定位柱，所述弹簧套于所述定位柱上；所述小车一与弹簧释放器之间设有定位板，所述定位板上设有圆形定位槽；所述弹簧的一端伸入所述圆形定位槽内与其抵触。

作为优选，所述小车一内部设有应变片以及和应变片连接的受力杆，受力杆的另一端固定于所述定位板上；所述小车一的一侧设有外置显示屏幕。

作为优选，靠近弹簧释放器的滑轨的一端设有高度调节组件。

作为优选，所述释放开关包括设于定位板的底部的卡槽、以及与所述弹簧释放器转动连接的连杆；所述连杆的一端设有与卡槽配合的卡扣，连杆的另一端为手动按压处，按压连杆的另一端后，卡扣向上转动与卡槽脱开，小车一受到弹簧的作用力后沿滑轨运动。

作为优选，所述小车一上设有安装光发射器的支座。

作为优选，所述滑轨上设有刻度。

作为优选，所述组件采用粘胶或粘扣带。

本实用新型的工作原理：将小车一释放后，小车一受到弹簧的作用力而沿滑轨运动，光发射器在发射一定频率的光，在显色纸上留下一系列的点，通过观察、测量留下的点，计算速度，探究动量守恒定律、动能定律、弹性势能转化为动能。

本实用新型能实现如下技术效果：

（1）本实用新型实验功能多，一个装置就可以探究动量守恒定律、动能定律、弹性势能转化为动能的实验。

（2）本实用新型的显色方式为非接触式，代替传统的打点计时器，大大减少实验结果误差，使结果更加精准；同时可以做到实时显示，能使实验过程实验现象更加高效直观；而且实验操作十分简单。

（3）本实用新型实验完成后可拍照或者直接分析，可以提高学生实验的体验性，也可以连接至电脑，通过软件更加清楚直观地分析。

（4）涂有光变效应材料的基材（本实用新型中的显色纸），在光变显色后，可以持续10-30秒的荧光点，同时留下1-3分钟的紫色轨迹点。荧光点比较明显，方便观察，紫色轨迹点留点时间长，方便后期分析。留下的点会逐渐褪去直至消失，因此材料可以重复使用，十分经济。

附图说明

图1为本实施例动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪的立体结构示意图；

图2为本实施例动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪的主视图；

图3为本实施例动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪的小车一和弹簧释放器结合的结构示意图；

图4为本实施例动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪的释放开关的结构示意图；

图5为本实施例动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪的小车一和定位板结合的结构示意图；

图6为本实施例动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪的中释放开关中连杆的结构示意图；

图7-13为另一优选实施例的小车一内部的控制电路原理图（依次为主控cpu、充电供电电路、力传感器、稳压电源模块、oled显示接口、磁传感器接口、蓝牙模块）。

标注说明：底座1，滑轨2，显色板31，显色纸32，小车一4，支座41，光发射器5，弹簧释放器6，固定板61，弹簧62，定位柱63，释放开关64，卡槽641，卡扣642，连杆643，按压端644，定位板7，定位槽71，高度调节组件8，受力杆9。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了以下实施例，并结合附图作如下详细说明：

如图1-5所示，本实施例的动量守恒定律、动能守恒定理、弹性势能演示仪，包括底座1、安装于底座1上的滑轨2、安装于滑轨2上的小车一4和小车二、安装于滑轨2一端的弹簧62释放器6、安装于小车一4上的光发射器5、以及安装于滑轨2一侧的显色板31；所述显色板31上贴附有显色纸32；所述显色纸32通过接收光发射器5发出的特定波长的光而显色；所述弹簧62释放器6包括释放开关64和若干弹簧62；所述小车一4与弹簧62释放器6固定并压缩弹簧62，所述小车一4通过释放开关64释放；小车一4的前端和小车二的尾端设有相互碰撞后能组合为整体的组件。

将小车一4释放后，小车一4受到弹簧62的作用力而沿滑轨2运动，光发射器5在发射一定频率的光，在显色纸32上留下一系列的点，通过观察、测量留下的点，计算速度，探究动量守恒定律、动能定律、弹性势能转化为动能。

本实施例的显色纸32（显色纸32上涂有光变效应材料）和光发射器5参考本申请人在之前申请的申请号为“201811248279.x”名称为“一种光变效应材料、显色方法、显色装置及应用”专利中的光发射器5和光变效应材料。

在本文进行简单描述：光变效应材料主要由以下按重量计的组分组成：60%-90%的uv感光变色粉和10%-40%的荧光粉。光发射器5包括供电单元、主控单元、与主控单元相连的功率控制单元、以及与功率控制单元相连的激光发射单元，主控单元控制功率控制单元向激光发射单元发出发射指令，使激光发射单元发出波长为10-400nm的紫光。

显色方法为：将光变效应材料作为涂层均匀涂抹于基材上，光发射器5向涂有涂层的基材（即本实施例中的显色纸32）发出设定波长的光，使基材被照射处显色。

uv感光变色粉和荧光粉在波长10至400nm的紫光照射下可变色。光发射器5在运动过程中，发出波长10至400nm的紫光，在涂有光变效应材料的基材（显色纸32）上，留下密集的点，因此可以显示物体运动轨迹。在光变显色后，可以持续10-30秒的荧光点，同时留下1-3分钟的紫色轨迹点。荧光点比较明显，方便观察，紫色轨迹点留点时间长，方便后期分析。留下的点会逐渐褪去直至消失，因此材料可以重复使用，十分经济。实验完成后可拍照或者直接分析，也可以连接至电脑，通过软件清楚直观地分析。

本实施例优选的弹簧62释放器6还包括固定于滑轨2上的固定板61，固定板61上安装有若干定位柱63，弹簧62套于定位柱63上；小车一4与弹簧62释放器6之间设有定位板7，定位板7上设有圆形定位槽71；弹簧62的一端伸入圆形定位槽71内与其抵触。通过定位槽71和定位柱63对弹簧62进行定位，防止其压缩后错位影响弹性势能。弹簧62可以直接套在定位柱63上，而非直接固定在固定板61上，由于定位柱63的设置，弹簧62可取下，做不同的实验时，根据需要增加或减少弹簧62的数量，使整个实验装置具有较好的灵活性。

本实施例优选的小车一4内部设有应变片（力传感器）以及和应变片连接的受力杆9，受力杆9的另一端固定于定位板7上；小车一4一侧设有外置显示屏幕，可以显示小车速度，所受到的力等数据，外置显示屏的可以通过需要改变大小，方便做演示实验的时候老师学生清楚地观测。外置显示屏的通过蓝牙与小车内部的蓝牙模块无线通讯连接（此处具体的蓝牙无线连接系现有技术）。外置显示屏幕实时显示速度作为另一个优选方案，可以非常快速的得到速度，简化了实验的计算。运动物体测速系现有技术，且有很多种方式，此处提供其中一种，具体电路图可参考图7。

本实施例优选的靠近弹簧62释放器6的滑轨2的一端设有高度调节组件8。高度调节组件8主要是为了平衡摩擦力，在做实验之前，调节高度，给小车一4重力势能，以平衡摩擦。

本实施例优选的释放开关64包括设于定位板7的底部的卡槽641、以及与弹簧62释放器6转动连接的连杆643；连杆643的一端设有与卡槽641配合的卡扣642，连杆643的另一端为手动按压端644，卡槽641和卡扣642配合时，弹簧62处于压缩状态，按压连杆643的按压端644后，卡扣642向上转动与卡槽641脱开，小车一4受到弹簧62的作用力后沿滑轨2运动。

本实施例优选的小车一4上设有安装光发射器5的支座41。安装光发射器5支座41起到定位作用，可以防止光发射器5在碰撞的过程中晃动，从而防止在显色纸32上留下的点不准确。

本实施例优选的，为了直接而直观地得到距离，可以在滑轨2上标上刻度条，通过刻度条直接读出弹簧62压缩的距离，小车位移的距离等。

本实施例优选的，两车相互碰撞后能组合为一个整体的组件采用粘胶或粘扣带。采用粘胶或粘扣带能使碰撞后自动结合为一个整体，粘胶或粘扣带可使两车轻松结合，且在不借助外力的情况下不易脱开，但需要下一次实验时又可以通过简单的操作轻松将两者分开，非常实用方便。

小车二与小车一4基本相同，因此说明书附图中小车二未画出。

动量守恒定律：需要用到两辆小车进行碰撞实验，碰撞前，小车二静止没有动量，小车一4由弹簧62释放器6提供初始速度动量为m1v1，小车一4与小车二碰撞后结合成一个整体质量为m2，小车一4和小车二具有相同的速度v2，因此验证动量守恒定律时，只需要验证m1v1=m2v2是否成立，v1和v2通过显色纸32上留下的点计算或者直接从小车一4的显示屏上读数。

动能定律：只需要用到一辆小车（小车一4），验证合外力所做的功等于动能变化量，e=1/2mv²，由于弹簧62释放器6中设置了数根弹簧62，因此可以做多组实验进行验证。

弹性势能转化为动能：1/2kx²=1/2mv²，k为弹簧62的弹性系数（已知），x为压缩距离（已知），v通过显色纸32上留下的点计算或者直接从小车一4的显示屏上读数。

以上内容是结合本实用新型的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型具体实施只局限于上述这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。