气悬球运动综合实验仪的制作方法

本发明涉及试验设备技术领域，尤其涉及一种气悬球运动综合实验仪。

背景技术：

现有的气垫导轨能够完成大部分需要低阻力状态下的物理实验，比如演示物体的惯性现象、验证牛顿第二定律和验证动量守恒定律等。现有的气垫导轨及配套实验器材存在几点明显不足：(1)比较复杂和昂贵，重量较大便携性差；(2)由于要用到电动气泵和电子计时器，因此在没有市电的地方无法工作；(3)用它开展相关物理实验时无法直观、快速的得出实验结果，需要人工处理实验数据。

因此，有必要提供一种新的气悬球运动综合实验仪解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种成本低、重量轻、便于携带的气悬球运动综合实验仪。

为解决上述技术问题，本发明提供的气悬球运动综合实验仪包括：平台；高度调节螺丝，八个所述高度调节螺丝安装在平台上；约束导轨，所述约束导轨安装在平台的顶侧；挡板，两个所述挡板分别安装在所述约束导轨的两侧；气悬球，所述气悬球安装在所述约束导轨的顶侧；定滑轮，所述定滑轮安装在所述平台的一侧；主机，所述主机安装在所述平台的顶侧；锂电池，所述锂电池安装在所述平台的顶侧；反射式光电门，三个所述反射式光电门安装在所述平台的顶侧。

优选的，所述主机包括单片机、蓝牙模块、tft串口屏和矩阵键盘，单片机的型号为stm32f103c8t6。

优选的，相邻的两个所述反射式光电门之间的间距为三十厘米。

优选的，所述平台为厚为八毫米、长为一百二十厘米、宽为三十厘米的黑色亚克力板。

优选的，所述高度调节螺丝的直径为八毫米，长为四毫米。

优选的，所述约束导轨为材料直径为四毫米、长度略小于平台长度的玻纤棒，约束导轨将平台分隔为宽度分别为十三厘米和十七厘米的两个部分。

优选的，所述定滑轮高出平台上表面四厘米。

优选的，所述气悬球内安装有干电池，气悬球通电后会向下喷气型成气垫，使气悬球悬浮离平台上方两毫米。

优选的，所述气悬球底侧开设有限位孔，所述限位孔的宽度和深度均略大于四毫米，所述限位孔与约束导轨相适配。

优选的，所述气悬球的顶部固定安装有挡光片，挡光片的宽度为四十毫米，档光片与限位孔所在的直径在同一竖直面上。

与相关技术相比较，本发明提供的气悬球运动综合实验仪具有如下有益效果：

本发明提供一种气悬球运动综合实验仪，使用气悬球加约束导轨实现现有气垫导轨的功能，大大节省了成本；使用了一体化主机实现了丰富的交互功能和快速数据处理；气悬球用干电池供电，主机用锂电池供电，可以脱离市电工作，整个装置相比于现有气垫导轨轻便了很多，便携性大大提高。

附图说明

图1为本发明提供的第一实施例的结构示意图；

图2为图1所示的侧视结构示意图；

图3为图1所示的气悬球的正视结构示意图；

图4为图1所示的气悬球的侧视示意图；

图5为本发明提供的第一实施例的试验数据图；

图6为本发明提供的第二实施例的结构示意图；

图7为图6的试验数据图。

图中标号：1、平台，2、高度调节螺丝，3、约束导轨，4、挡板，5、气悬球，6、定滑轮，7、主机，8、锂电池，9、反射式光电门，10、挡光片，11、限位孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

第一实施例：

请结合参阅图1-图5，在本发明的第一实施例中。气悬球运动综合实验仪包括：平台1；

高度调节螺丝2，八个所述高度调节螺丝2安装在平台1上；

约束导轨3，所述约束导轨3安装在平台1的顶侧；

挡板4，两个所述挡板4分别安装在所述约束导轨3的两侧；

气悬球5，所述气悬球5安装在所述约束导轨3的顶侧；

定滑轮6，所述定滑轮6安装在所述平台1的一侧；

主机7，所述主机7安装在所述平台1的顶侧；

锂电池8，所述锂电池8安装在所述平台1的顶侧；

反射式光电门9，三个所述反射式光电门9安装在所述平台1的顶侧。

所述主机包括单片机、蓝牙模块、tft串口屏和矩阵键盘，单片机的型号为stm32f103c8t6。

相邻的两个所述反射式光电门9之间的间距为三十厘米。

所述平台1为厚为八毫米、长为一百二十厘米、宽为三十厘米的黑色亚克力板。

所述高度调节螺丝2的直径为八毫米，长为四毫米。

所述约束导轨3为材料直径为四毫米、长度略小于平台1长度的玻纤棒，约束导轨3将平台1分隔为宽度分别为十三厘米和十七厘米的两个部分。

所述定滑轮6高出平台1上表面四厘米。

所述气悬球5内安装有干电池，气悬球5通电后会向下喷气型成气垫，使气悬球5悬浮离平台1上方两毫米。

所述气悬球5底侧开设有限位孔11，所述限位孔11的宽度和深度均略大于四毫米，所述限位孔11与约束导轨3相适配。

所述气悬球5的顶部固定安装有挡光片10，挡光片10的宽度为四十毫米，档光片10与限位孔11所在的直径在同一竖直面上。

在实施例一的试验中，需要用到高精度电子秤，用于测量气悬球的质量和气悬球运动过程中的合力大小。

本发明提供的气悬球运动综合实验仪的工作原理如下：

实验操作步骤：用电子秤测出两球质量m1和m2，把测得的数据输入主机；把实验平台调至水平，把被碰球置于反射式光电门1、2中间靠近反射式光电门2的位置，入射球放在靠近反射式光电门1的外侧；快速推动入射球给它一个初速度，手必须在入射球到达反射式光电门1前松开；反射式光电门1测得入射球的速度v0,两球在反射式光电门1、2中间完成碰撞，反射式光电门2测得被碰球的末速度v2，入射球的末速度如果由反射式光电门2测得则为v1，如果由反射式光电门1测得则说明反弹则为-v1。主机自动算出碰撞前系统总动量m1.v0，碰撞后系统总动量m1.v1+m2.v2或-m1.v1+m2.v2(入射球反弹的情况)。

验证的方法：比较系统碰撞前后总动量是否相等，从而可验证动量守恒定律。

实验结果解读：请结合参阅图5

以上从左到右分别是大质量碰小质量、小质量碰大质量和质量相同的两球相碰的实验结果。以第一组数据解读结果为：入射球质量m1＝193g，被碰球质量m2＝126g，挡光板宽度d＝40mm，入射球初速度v0＝125cm/s、末速度v1＝63cm/s，被碰球末速度v2＝94cm/s，碰撞前后系统总动量分别为24125g.cm/s、24003g.cm/s，在误差允许范围内系统碰撞前后总动量相等，动量守恒定律得证。

第二实施例：

在实施例二的试验中，需要用到高精度电子秤，用于测量气悬球的质量和气悬球运动过程中的合力大小。

基于本申请的第一实施例提供的气悬球运动综合实验仪，本申请的第二实施例提出另一种气悬球运动综合实验仪。第二实施例仅仅是第一实施例的优选的方式，第二实施例的实施对第一实施例的单独实施不会造成影响。

下面结合附图和实施方式对本发明的第二实施例作进一步说明。

请结合参阅图6-图7，本实施例与第一实施例的区别在于：

实验操作步骤：参照图6，把实验平台一端垫高，以便气悬球能在自身重力分力的作用下沿斜面加速度下滑；用电子测出气悬球质量，把数据输入主机；在细绳一端绑一个小吸盘，吸盘吸在电子秤盘的正中央，细绳的另一端跨过定滑轮与气悬球相连，调整电子秤位置使细绳与秤盘垂直，由平衡条件得电子秤的示数等于气悬球沿斜面向下的重力分大小，即气悬球下滑的合力大小f，把合力f输入主机；让气悬球与细绳分离，沿斜面自由下滑，气悬球经过第一个光电门的遮光时间为δt1，经过第三个光电门的遮光时间为δt2，经过一三两光电门的时间差为t，d为挡光片的宽度，单片机通过以下式子自动算出其加速度：

验证的方法：单片机自动算出气悬球质量m与其加速度a的乘积ma，只要比较其合力f与ma是否相等，从而可验证牛顿第二定律。

实验结果解读：请结合参阅图7

气悬球质量m＝193g，挡光板宽度d＝40mm，气悬球下滑的合力大小f＝0.1891n，加速度a＝0.9796m/s2，气悬球质量与其加速度乘积ma＝0.1990kg.m/s2。实验误差允许范围内，f与ma相等，牛顿第二定律得证。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。