一种平抛运动与自由落体的教学实验装置的制作方法

本实用新型属于物理实验设备技术领域，尤其涉及一种平抛运动与自由落体的教学实验装置。

背景技术：

平抛运动与自由落体都是物理教学中十分重要的知识点，而且二者之间存在紧密的联系，在不考虑阻力的情况下，平抛运动的物体可以分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动。教师在日常的教学中都是以口述的方式对两者的知识点进行讲解，而物理时一门理论与实验相结合的自然科学，存在一定的抽象性，仅凭学生自己的想象，很难理解平抛运动与自由落体运动之间的关系，不利于学生对知识点的掌握，需要通过实验更加直观的向学生进行教学演示。为了研究平抛物体的运动可做平抛和自由落体运动的教学实验，使两个物体分别同时进行平抛和自由落体，两物体同时落到地面，说明平抛物体的竖直分运动和自由落体物体的落体运动相同。为此，为了研究物理学中的平抛运动规律，急需设计一种既能直接观察平抛与自由落体的对比演示又能对二者的运动规律进行充分理解和应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种平抛运动与自由落体的教学实验装置，本实用新型的摩擦因数测量装置能快速进行平抛及自由落体运动之间的关系进行对比观察和演示，直观的观看平抛及自由落体运动规律，从而增强了学生的理解；本实验装置结构简单，操作方便。为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供了一种平抛运动与自由落体的教学实验装置，包括水平支撑桌台和垂直固定在所述水平支撑桌台上的竖直固定板，在水平支撑桌台上设有方形凹槽和操作控制盒，所述方形凹槽沿所述竖直固定板的底端边缘设置在所述水平支撑台内，在所述竖直固定板的顶端两侧设置向外伸出的横梁，在竖直固定板顶端两侧的横梁之间水平设置有导轨，在该导轨上设置有行走小车和固定架，在行走小车上和固定架上分别固定有存球装置，在存球装置内放置有若干实验小球，在竖直固定板上水平设置有第一光电传感器，所述存球装置的下端的高度与第一光电传感器的高度平齐或低于第一光电传感器的高度，在所述行走小车上设置有速度传感器，所述行走小车、第一光电传感器和速度传感器分别与所述操作控制盒进行电气连接。

上述方案进一步优选的，在所述方形凹槽内设置有缓冲垫，在该缓冲垫上设置有第二光电传感器和第三光电传感器，所述第二光电传感器位于固定架正下方的方形凹槽内壁上，所述第二光电传感器和第三光电传感器分别与所述操作控制盒连接。

上述方案进一步优选的，所述存球装置包括存球管筒、微型电动推杆和设置在存球管筒内至少一层的托板，每一层托板的一端从存球管筒的外部穿入存球管筒的内部，该托板的另一端与所述微型电动推杆的伸缩杆传动连接，在存球管筒内部的托板上放置所述实验小球。

上述方案进一步优选的，在所述存球管筒的内侧壁上设置有支撑所述托板的环形支撑台。

上述方案进一步优选的，在所述托板的上表面设置有圆形凹槽，在圆形凹槽内设置有向上凸出的弧形支撑垫，弧形支撑垫向上凸起的中心高度与圆形凹槽的槽口平齐或低于圆形凹槽的槽口。

上述方案进一步优选的，所述存球管筒的上筒口呈喇叭形，所述存球管筒的下筒口呈漏斗形。

上述方案进一步优选的，在所述竖直固定板的表面设置有刻度标尺线。上述方案进一步优选的，在固定架上以及在远离固定架一侧的横梁上分别设置有行程开关。

上述方案进一步优选的，在所述弧形支撑垫内设置有压力传感器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)、本实用新型可连续多次对平抛及自由落体运动之间的关系进行对比观察和演示，能直观的观看平抛及自由落体运动规律，从而增强了学生的理解，以提高学习效率；本实验装置结构简单，操作方便。

(2)、本实用新型可以通过刻度准确的记录实验小球做平抛运动和自由落体所处的高度，并通过光电传感器测得实验小球做平抛运动和自由落体各用的时间，并可以显示在操作控制盒的显示屏上，以便观察和实验结果推算，可以达到很好的学习记忆效果，以验证平抛运动物体与自由落体下落同样的高度所用时间相同，即平抛运动在竖直方向上的分运动是自由落体运动。

附图说明

图1是本实用新型的一种平抛运动与自由落体的教学实验装置的结构示意图；

图2是本实用新型的存球装置的结构示意图；

图3是本实用新型的存球管筒与托板的正视图；

图4是本实用新型的存球管筒与托板的俯视图；

附图中，1-水平支撑桌台，2-竖直固定板，3-方形凹槽，4-操作控制盒，5-行走小车，6-固定架，7-存球装置，8-实验小球，9-第一光电传感器，刻度标尺线10，20-横梁，21-导轨，22-行程开关，30-缓冲垫，50-速度传感器，31-第二光电传感器，32-第三光电传感器，70-存球管筒，71-微型电动推杆，71a-伸缩杆，72-托板，73-环形支撑台，74-圆形凹槽，75-弧形支撑垫，76-支撑座，77-压力传感器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对实用新型的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本实用新型的这些方面。

如图1和图2所示，根据本实用新型的一种平抛运动与自由落体的教学实验装置，包括水平支撑桌台1和垂直固定在所述水平支撑桌台1上的竖直固定板2，在水平支撑桌台1上设有方形凹槽3和操作控制盒4，所述方形凹槽3沿所述竖直固定板2的底端边缘设置在所述水平支撑台1内，在所述竖直固定板2的顶端两侧设置向外伸出的横梁20，在竖直固定板2顶端两侧的横梁20之间水平设置有导轨21，在该导轨21上设置有行走小车5和固定架6，在行走小车5上和固定架6上分别固定有存球装置7，在存球装置7内放置有若干实验小球8，该实验小球8为金属球体(如铁球或铜球)，在固定架6上以及在远离固定架6一侧的横梁20上分别设置有行程开关22，所述固定架6靠近右侧的横梁20，在固定架6上和左侧的横梁20上分别设置行程开关22，从而限制行走小车5在固定架6与左侧的横梁20之间的导轨21上往返运行。所述操作控制盒4包括中央控制器、操作开关和显示屏，所述存球装置7和行走小车5受控于中央控制器，所述行走小车5至少包括驱动所述行走小车5在导轨21上往返运动的驱动电机，所述中央控制器为plc控制器或单片机控制器，通过plc控制器或单片机控制器控制驱动电机驱动所述行走小车5在导轨21进行往返运行的速度以及通过中央控制器为plc控制器或单片机控制器控制存球装置7内存放的实验小球8进行释放，操作开关用于启动或停止行走小车5和存球装置7的运行工作状态，在竖直固定板2上水平设置有多个第一光电传感器9，在所述竖直固定板2的表面设置有刻度标尺线10，该刻度标尺线10可以直观地观察实验小球8下落的高度，所述存球装置7的下端的高度与第一光电传感器9的高度平齐或低于第一光电传感器9的高度，当行走小车5带动所述存球装置7在导轨21上运行时，所述第一光电传感器9用于检测行走小车5和固定架6上的存球装置7当前位置并开始计时，此时，行走小车5和固定架6上的存球装置7即刻释放实验小球8分别进行平抛运动和自由落体运动，在所述行走小车5上设置有速度传感器50，该速度传感器50用于检测行走小车5的运行速度，即为行走小车5上存球装置7的平抛初始速度，所述行走小车5、第一光电传感器9和速度传感器50分别与所述操作控制盒4进行电气连接，通过操作控制盒4操作行走小车5行走操控和存球装置7释放实验小球8操控。

在本实用新型中，如图1、图2和图3所示，所述存球装置7包括存球管筒70、微型电动推杆71和设置在存球管筒70内至少一层的托板72，每一层托板71的一端从存球管筒70的外部穿入存球管筒70的内部，该托板72的另一端与所述微型电动推杆71的伸缩杆71a传动连接，微型电动推杆71通过支撑座76固定在行走小车5或固定架6上，在存球管筒70内部的托板72上放置所述实验小球8；为此，本申请通过存放多个实验小球70进行多次平抛和自由落体验证实验，行走小车5和固定架6上固定的存球管筒70内最下层的实验小球8被同时释放进行，从而可方便观察和演示实验小球8进行平抛和自由落体；最下层的实验小球8被释放后，上层托板71上放置的实验小球8在中央控制器的控制下使实验小球8逐层下落至下一层，所述微型电动推杆71收缩时，使托板71从存球管筒70内滑出，上层托板71上放置的实验小球8由于重力的作用和存球管筒70的阻挡作用力而下落至下一层的托板71上，将实验小球8直至释放最下一层的托板71上，在所述存球管筒70的内侧壁上设置有支撑所述托板72的环形支撑台73，如图3和图4所示，托板71从存球管筒70一侧外壁伸入存球管筒70内至另一侧的环形支撑台73，将托板71的端部搭放在环形支撑台73上，以免实验小球8下落至托板71上产生过大的振动，该环形支撑台73对托板71从而起到了支撑和缓冲的作用；在所述托板71的上表面设置有圆形凹槽74，该圆形凹槽74的槽口边缘呈弧形过度，在圆形凹槽74内设置有向上凸出的弧形支撑垫75，在弧形支撑垫75内设置有压力传感器77，该压力传感器的输出端与所述操作控制盒4内的中央控制器连接，该弧形支撑垫75为向上凸起的软质支撑垫，当检测到弧形支撑垫75压力时，延时5s-10s后启动微型电动推杆71操控托板71进行释放该实验小球8至下一层，实验小球8释放下落至托板71上的圆形凹槽74内进行定位，减少实验小球8在托板71过度滚动而触碰存球管筒70的内壁，实验小球8挤压在弧形支撑垫75对实验小球8起到了较好的支撑和缓冲作用，所述弧形支撑垫75向上凸起的中心高度与圆形凹槽74的槽口平齐或低于圆形凹槽74的槽口，该弧形支撑垫75用于支撑实验小球8同时，从不影响托板71在存球管筒70内外滚动，所述存球管筒70的上筒口呈喇叭形，从而方便将实验小球8放入存球管筒70内，所述存球管筒70下筒口的口径略大于实验小球8的外径，所述存球管筒70的下筒口呈漏斗形，最下层的实验小球8被释放进行自由落体实验时，存球管筒70的下筒口对实验小球8实现了导向作用，使实验小球8在存球管筒70的中央被释放。

在本实用新型中，如图1所示，在所述方形凹槽3内设置有缓冲垫30，该缓冲垫30为海绵、棉布或砂子等，在该缓冲垫30上设置有第二光电传感器31和第三光电传感器32，所述第二光电传感器31位于固定架6正下方的方形凹槽3的侧壁上，用于检测固定架6上的球管筒70释放实验小球8下落到达终点时刻的位置，所述第三光电传感器32设置在行走小车5行走起始位置的下方的前方位置，且位于第一光电传感器9下方的后方位置，所述第三光电传感器32用于检测行走小车5上的球管筒70释放实验小球8下落到达终点时刻的位置，所述第二光电传感器31、第三光电传感器32、速度传感器50和驱动电机分别与所述中央控制器连接，所述第二光电传感器31和第三光电传感器32分别与所述操作控制盒4内的中央控制器连接。

结合图1、图2和图3所示，对本实用新型的工作原理作进一步阐述：实验前先将多个实验小球8放入行走小车5上和固定架6上分别固定有存球装置7内，通过中央控制器控制走小车5的行走状态，当行走小车5以一定速度匀速运行至a处的实验小球8时，所述行走小车5上的存球管筒70和固定架6的存球管筒70所存放的实验小球8被同时释放，此时，a处的第一光电传感器9检测到行走小车5上的存球管筒70当前的位置，s处的第一光电传感器9检测到固定架6上的存球管筒70存放的实验小球8的当前位置，同一高度的两个第一光电传感器9发出激光检测信号的时刻t01和t02为用于检测释放实验小球的时刻，将所述第一光电传感器9发出激光检测信号的时刻t01和t02送入中央控制器进行分析处理，第二光电传感器31发出激光检测信号的时刻t1为检测s处被释放的实验小球8作自由落体运动而落入方形凹槽3内的时刻，第三光电传感器32发出激光检测信号的时刻t2为检测a处被释放的实验小球8作平抛运动而落入方形凹槽3内的时刻，t1-t01则为实验小球作自由落体的运动时间t1，t2-t02则为实验小球平抛运动的运动时间t2，为此，a处平抛出的实验小球可以直观地观察释放位置和下落的终点位置之间的距离即为平抛运动的水平位移s，从而可以直观的观察到平抛运动的初始平抛时的水平速度、运动时间、运动高度、运动的水平位移，通过上述数据可以验证平抛运动的运动高度h和时间t的关系：h＝1/2*g(t)²，以及通过上述数据还可以验证水平位移s和运动时间t之间的关系：s＝v*t，可以得出平抛运动在水平方向上没有加速度，且在竖直方向上的加速度等于重力加速度的结论，速度v通过速度传感器获取，g为自由落体加速度(重力加速度)，为此，可比较t1、t2、t和t是否相同；也就是说当t1-t01＝t2-t02＝t时，说明从s处自由下落的实验小球8与a处平抛出的实验小球同时落入方形凹槽3内，根据上述原理，当行走小车5以不同的速度运行至b处、c处和d处分别将实验小球8水平抛出时，并同时从s处自由下落的实验小球8进行对比演示实验，从而重复上述步骤实现多次实验，验证上述结论的是否正确；以不同速度抛出的实验小球8与自由下落的实验小球是否同时落入水平支撑桌台1的方形凹槽3内，为此，当行走小车5速度(实验小球8的平抛速度)会发生变化时，实验小球8平抛的初速度也发生了改变，可以直观的发现，实验小球8平抛的初速度改变后，实验小球8平抛下落至方形凹槽3内的落点会发生变化，而落至方形凹槽3内的时间却没有变(都与相同高度下自由落体的实验小球落至方形凹槽3内的时间相同)。从而得以验证上述结论的正确性，通过形象直观的演示上述实验，以提高教学效果。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。