专利名称：折叠式滑轮、轮轴及两用演示仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及物理教学上的演示仪，特别是一种直观形象地展示滑轮，轮轴实质是一种可以连续旋转的变形杠杆的装置，即折叠式滑轮、轮轴及两用演示仪。
在初中物理课《滑轮》、《轮轴》教学中，关键是让学生认识滑轮和轮轴它们实质是一种可以连续旋转的变形杠杆。但以往物理课中没有直观形象地说明滑轮、轮轴实质是一种可以连续旋转的变形杠杆的教具。因此，学生对此很难理解。例如动滑轮实质是动力臂为阻力臂二倍的杠杆，支点是绳子和滑轮的接触点，是一个动支点，这对学生来说确实难以接受。
本发明的目的是提供滑轮、轮轴及两用演示仪。即折叠式滑轮演示仪、折叠式轮轴演示仪和折叠式轮轴、滑轮两用演示仪，使学生把难以掌握的滑轮和轮轴与熟悉的直杠杆统一起来，直观地认识到滑轮、轮轴实质是一种连续旋转的变形杠杆。
折叠式滑轮演示仪是以如下方式完成的把可折叠的两半圆形又连成一体的气囊，用长条夹板构成直杠杆，将气囊夹在中间，其中心用轴活动连接。气囊上设有气咀和塞子，用于向气囊充气并以塞子塞住。气囊与直杠杆之间还有定位销固定连接，再将中心轴一端与框架固定连接，且在框架上端安装一个用挂吊的钩，构成该装置。
该滑轮演示仪演示状况如下先将两个半圆形又连成一体的气囊(由塑料或橡胶膜制成)中的气体排完，并把它折叠隐藏在夹板形直杠杆内，用绳子将其挂起来，分别打开气囊相应的两个塞子。用充气机给气囊充气。气囊就分别从夹板形直杠杆上、下两边展开。随着气囊中气体的增多，该装置将从直杠杆形状逐渐演变成多边形杠杆。最后形成周边带有槽的小轮，便成圆形杠杆-滑轮。然后用塞子塞住相应的气咀，以维持这一周边带有槽的小轮形状。用于教学中给学生观看。反之，分别拔掉气囊塞子，使气体从气囊中排出，气囊萎缩，于是又从圆形杠杆逐渐演变成直杠杆。
折叠式轮轴演示仪是以如下方式完成的用塑料或橡胶膜制成小轮气囊与大轮气囊，两囊连在一起;有通气孔使两囊相通。夹板形直杠杆将大小轮气囊夹在中间，并且用定位销固定连接。一根轴通过夹板形直杠杆、大小轮气囊的中心活动连接，整体上象个台阶轮子。在大小轮气囊的两个半圆部位上设有用于充放气的气咀和塞子。由于大小轮气囊是由柔软材料如塑料或橡胶膜制成，所以是可折叠的。
折叠式轮轴演示仪演示状况如下先将大小轮气囊中的气体排完，并将其折叠隐藏在由两个夹板形组合成的直杠杆内。然后，用铁架台将该装置的轴固定起来。用充气机给大小轮气囊充气，这时随着气囊中的气体的增多，气囊分别从大小夹板形直杠杆上、下两边展开。随着气囊中的气体增多该装置将从直杠杆形状逐渐演变成多边形杠杆，最后形成大轮和小轮即圆形杠杆-轮轴。然后用塞子将气囊的相应的气咀塞住，以维持大小轮形状。反之，分别拔掉二个塞子，排出气囊中的气体，气囊萎缩时将从圆形杠杆逐渐演变成直杠杆。
折叠式轮轴、滑轮两用演示仪是以如下方式完成的将两个半圆形连在一起的气囊夹在夹板形直杠杆之间;两个半圆形连在一起的轴气囊夹在小夹板形直杠杆之间，一根轴通过轮气囊、轴气囊和夹板形直杠杆的中心并活动连接。在轮气囊的轮缘上有一横截面为三角形的环形气囊，在轮气囊、轴气囊和环形气囊上都设有气咀和塞子。在轮气囊、轴气囊、夹板形直杠杆之间用定位销固定连接。
折叠式轮轴、滑轮两用演示仪的演示状况如下用充气机分别给该演示仪全部气囊充气时，该装置便是折叠式轮轴演示仪。如果先分别排出该装置的轴气囊(或拆掉该装置的轴气囊及相夹持小夹板杠杆)和截面为三角形状的环形气囊中的气体，并用塞子塞住相应的气咀，在大气压作用下轴气囊和横截面为三角形状的环形气囊将萎缩隐藏起来，再给该装置的轮气囊充气便成周边带有槽的小轮，用塞子塞住相应气咀以维持轮的形状，并可绕中心轴转动便成折叠式滑轮演示仪，于是该装置可以一物两用。
本发明有以下优点1、直观形象地展示滑轮、轮轴实质上是变形的杠杆，加速学生的理解;2、结构简单，操作方便，可演示多种状态。
以下结合附图对本发明进一步说明
图1是折叠式滑轮演示仪的主视图;
图2是图1沿A-A线的剖视图;
图3是图1沿B-B线的剖视图;
图4-图8是折叠式滑轮演示仪展开时不同状态的示意图;
图4表示直杠杆;图5表示多边形杠杆;图6表示半圆形杠杆;图7表示半圆形+多边形杠杆;图8表示圆形杠杆。
图9是折叠式轮轴演示仪的主视图;
图10是图9沿C-C线的剖视图;
图11是图9沿D-D线的剖视图;
图12-图16是折叠式轮轴演示仪展开时不同状态的示意图;
图12表示直杠杆;图13表示多边形杠杆;图14表示半圆形杠杆;图15表示半圆形+多边形杠杆;图16表示圆形杠杆。
图17是折叠式轮轴、滑轮两用演示仪的主视图;
图18是图17沿E-E线的剖视图;
图19是图17沿G-G线的剖视图。
参照图1、2、3，两半圆形又连在一起的气囊(1)、(3)，由塑料或橡胶膜制成，因而可以折叠。气囊(1)(3)夹在长条夹板形直杠杆(2)的中间，中心轴(7)通过气囊(1)(3)与夹板形直杠杆(2)的中心，并活动连接。为了能使气囊(1)(3)便于充放气，在其上设有气咀(6)(8)和塞子(5)(9)。气囊(1)(3)与直杠杆(2)之间用定位销(4)固定连接。然后，中心轴(7)一端与框架(10)固定连接。在框架(10)上端有一用于挂吊的钩(11)。为使气囊(1)(3)充气后能绕绳子，气囊(1)(3)作成轮缘中间有凹槽，夹板形直杠杆(2)横切面形状与气囊(1)(3)的横切面形状相似，两条夹板合拢后可把气囊(1)(3)包含在长条夹板内。夹板形直杠杆(2)用塑料或金属制成。演示时，气囊(1)(3)中的气体排完，待其萎缩后把它折叠隐藏在夹板形的直杠杆(2)内。用绳子将滑轮演示仪挂起来，容易看出形如夹板的是直杠杆(2)，如图4，支点在O点，阻力作用点在B点，动力点在A点。然后用充气机将气囊(1)充气，在气体的作用下气囊(1)将从直杠杆(2)上边展开。随着气囊中的气体增多，该演示仪将从如图4所示直杠杆形状演变到如图5的形状，成为多边形杠杆。继续充气则变为图6的半圆形杠杆形状。然后用塞子(9)将气咀(8)塞住以维持半圆形形状。接着再用充气机给折叠隐藏在直杠杆(2)内的气囊(3)充气，同理，气囊(3)从直杠杆(2)下边展开，将演变为半圆形+多边形杠杆(图(7))，最后，形成圆形杠杆(图(8))。将塞子(5)塞住气咀(6)，以维持气囊(3)的半圆形状。这样该装置便成为滑轮，从图4～图8，学生很容易看出图形杠杆的动力作用点仍在A点，阻力作用点仍在B点。当作用力F向上拉时，直杠杆(2)就绕O点转动，所以O点是杠杆的支点，它是在绳子与动滑轮的相切处。当动滑轮提起重物上升时，支点也将随阻力的作用点一起不断向上运动。但此时支点它始终在绳子与动滑轮的相切处O点，所以是个动支点。随着该演示仪气囊(1)(3)转动，直杠杆(2)也跟着一起转动。观察该演示仪的转动过程可以发现每转动一瞬间，演示仪左右两端跟绳子相接触的两点O和A所连接成的直径OBA又可看作另一个直杠杆如图(8)。随着滑轮不断转动，实质上构成滑轮的无数多条直径OBA它们将轮换着充当这样的直杠杆(2)进行工作。因此，滑轮可看成由无数根直杠杆(2)组成。通过这样对比演示和分析，使学生认识到滑轮实质是一个无数根直杠杆组成的能连续旋转的圆形杠杆。
反之，分别打开两个气囊塞子(5)、(9)，排出气囊(3)中的气体后，再排出另一个气囊(1)中的气体。于是，该演示仪由圆形杠杆图8演变成半圆形+多边形杠杆(图(7))，从半圆形+多边形杠杆(图7)，演变成半圆形杠杆图6;又从半圆形杠杆图6演变成多边形杠杆图5最后演变成直杠杆图4。随着逆向演变，学生可以更清楚地认识到滑轮实质是一种连续旋转的变形杠杆。支点是绳子与滑轮相切处O点。
定滑轮的实质是等臂杠杆演示步骤跟动滑轮类似不再赘述。
通过该演示仪演示实验后，使学生把难以掌握的知识与易懂的熟悉的直杠杆对应起来进行比较，使学生很容易弄清1.定滑轮实质是一个等臂杠杆，故不省力;2.动滑轮的支点必定在绳子和滑轮接触处O点，而不在动滑轮的轴心，是个动支点。故动滑轮实质是动力臂为阻力臂两倍的杠杆，可省一半力。
参照图9、10、11，折叠式轮轴演示仪，小轮气囊(12)与大轮气囊(14)是由两个半圆形气囊连接在一起，并有通气孔，夹板形直杠杆(13)将大轮气囊(14)、小轮气囊(12)夹在其中间，用定位销(15)固定连接，轴(18)通过夹板形直杠杆(13)、小轮气囊(12)和大轮气囊(14)中心，并活动连接。在大轮气囊(14)的两个半圆部位上安装有气咀(17)(19)并配有塞子(16)(20)。大小轮气囊也是采用塑料或橡胶膜制成，可以折叠。如图11所示，夹板形直杠杆(13)是长条形，夹持部位的横切面与大小气囊的横切面形状相似且将其包容。大小气囊制成一个整体。
图12～图16，是折叠式轮轴演示仪展开时不同状态的示意图。演示时将轴(18)固定在铁架台上，如图12所示，容易看出形如夹板是直杠杆(13)，支点在O′，阻力点在B′，动力作用点在A′点。给大小轮气囊(12)充气，这时折叠隐藏在夹板形直杠杆(13)的气囊(12)向上展开。随着气囊(12)中的气体增多，该演示仪将从直杠杆形状图12演变成多边形杠杆图13，充满气时，则成为台阶形半圆形杠杆如图14。用塞子(20)将气咀(19)塞住以维持气囊(12)半圆形。接着给折叠隐藏在夹板形直杠杆(13)内大小轮气囊(14)充气，同理，气囊将演变成为多边形+半圆形杠杆(如图15)，充满气后，则演变成台阶形圆形杠杆如图16。然后用塞子(16)将气咀(17)塞住以维持圆形杠杆形状，于是该装置便成为轮轴。从图16上看到动力作用点在A′点上，阻力作用点在B′点，当拉力F向下作用时，直杠杆(13)就绕O′转动，因此O′点是杠杆的支点。随着大、小气囊(12)、(14)转动，直杠杆(13)也跟着一起转动。仔细观察该装置的转动过程可以发现每转动瞬间，该演示仪左右两端跟绳子相接触的两点B′和A′经过轴心O′连接线又充当另一个直杠杆如图16。随着轮轴转动，实质上构成轮轴的无数多条直径A′O′B′将轮换着充当这样的直杠杆(13)进行工作。因此，轮轴可以看成由无数根直杠杆(13)组成。通过这样对比，演示和分析使学生认识到轮轴是一个由无数根直杠杆组成的能连续旋转的圆形杠杆。
反之，打开气囊的塞子(16)(20)，排出气囊(14)、(12)中的气体。于是本装置由圆形杠杆图16逐渐演变成多边形杠杆图13，从多边形杠杆图13演变成直杠杆图12，随着逆向演变学生可以清楚地认识到轮轴实质是一种可以连续旋转杠杆。
参照图17、18、19折叠式轮轴、滑轮两用演示仪，是对折叠式滑轮演示仪与折叠式轮轴演示仪的进一步改进。可以一物两用。降低成本。由两个半圆形连在一起的轮气囊(21)(24)夹在夹板形直杠杆(22)之间;同样，两个半圆形连在一起的轴气囊(23)(25)夹在小夹板形直杠杆(28)之间，然后用轴(29)通轮气囊(21)、(24)，轴气囊(23)(25)和夹板形直杠杆(22)(28)的中心并活动连接。在轮气囊(21)(24)的轮缘上有一横截面为三角形的环形气囊(26)，在轮气囊(21)(24)、轴气囊(23)(25)和环形气囊(26)上都设有气咀(32)、(34)、(30)，且配有塞子(31)(33)(35)，且轮气囊(21)、(24)，轴气囊(23)、(25)和夹板形直杠杆(22)、(28)之间用定位螺丝(27)固定连接，构成轮轴、滑轮两用演示仪。
环形气囊(26)截面形状为三角形，所以轮气囊(21)(24)的轮缘截面也是三角形凹槽。夹板形直杠杆(22)将轮气囊(21)(24)的轮缘包容在内，夹板形直杠杆(28)将轴气囊(23)(25)的轮缘包容在内。同样，直杠杆(22)(28)由塑料或金属制成，气囊(21)(24)(23)(25)由塑料或橡胶膜制成。
用充气机分别给轴气囊(23)(25);轮气囊(21)(24);截面为三角形状的环形气囊(26)充气。在气体的作用下形成大轮和小轮。充满气后用塞子(31)(33)(35)塞住相应的气咀(30)(32)(34)以维持大、小圆轮形状。于是它们和大小夹板形杠杆(22)(28)组成能绕共同轴(29)旋转便成为轮轴装置。如果先分别抽完该装置的轴气囊(23)(25)(或拆掉该装置固定螺丝(27)及轴气囊(23)(25)和小夹板形杠杆(28)换上长度短一些固定螺丝(27))和截面为三角形状的环形气囊(26)中的气体。并用塞子(31)、(33)塞住相应的气咀(30)、(32)。在大气压力的作用下轴气囊(23)、(25)和截面为三角形状的环形气囊(26)，它们将萎缩，并把其隐藏起来。再给该装置的轮气囊(21)(24)充气便成周边带有槽的小轮，并用塞子(35)塞住相应的气咀(34)以维持周边带有槽的小轮形状，并可以绕轴(29)转动。并让学生从图19左侧方看去，便成折叠式滑轮演示仪。
具体演示步骤分别参照折叠式滑轮演示仪，折叠式轮轴演示仪详细描述部份，这里不再赘述。
权利要求
1.一种折叠式滑轮演示仪，其特征在于可折叠的两半圆形又连成一体的气囊(1)(3)，夹在长条夹板形直杠杆(2)中间，由中心轴(7)活动连接，气囊(1)(3)上有气咀(6)、(8)和塞子(5)、(9)，气囊(1)(3)与直杠杆(2)之间有定位销(4)固定连接。
2.根据权利要求1所说的演示仪，其特征在于气囊(1)(3)的轮缘中间有凹槽，夹板形直杠杆(2)横切面形状与气囊(1)(3)横切面形状相似，中心轴(7)一端与框架(10)固定连接，在框架(10)上端有一用于挂吊的钩(11)。
3.根据权利要求1或2所说的演示仪，其特征在于直杠杆(2)由金属或塑料制成，气囊(1)(3)由塑料或橡胶膜制成。
4.一种折叠式轮轴演示仪，其特征在于小轮气囊(12)与大轮气囊(14)连接在一起，并有通气孔，夹板形直杠杆(13)将大轮气囊(14)、小轮气囊(12)夹在中间，用定位销(15)固定连接，轴(18)通过夹板形直杠杆(13)、小轮气囊(12)和大轮气囊(14)中心，并活动连接，在大轮气囊(14)的两个半圆部位上设有气咀(17)、(19)，并配有塞子(16)、(20)，大小轮气囊可折叠。
5.根据权利要求4所说的演示仪，其特征在于直杠杆(13)是长条形，夹持部位的横切面与大小气囊的横切面形状相似且将其包容。
6.根据权利要求4或5所说的演示仪，其特征在于夹板形直杠杆(13)由塑料或金属制成，大小轮气囊(12)(14)由塑料或橡胶膜制成。
7.一种折叠式滑轮、轮轴两用演示仪，其特征在于两个半圆形连在一起的轮气囊(21)(24)夹在夹板形直杠杆(22)之间;两个半圆形连在一起的轴气囊(23)(25)夹在小夹板形直杠杆(28)之间，轴(29)通过轮气囊(21)(24)、轴气囊(23)(25)和夹板形直杠杆(22)(28)的中心并活动连接，在轮气囊(21)(24)的轮缘上有一环形气囊(26)，在轮气囊(21)(24)、轴气囊(23)(25)和环形气囊(26)上都设有气咀(32)(34)(30)，且配有塞子(33)(35)(31)，轮气囊(21)(24)，轴气囊(23)(25)和夹板形直杠杆(22)(28)之间用定位销(27)固定连接。
8.根据权利要求7所说的两用演示仪，其特征在于轮气囊(21)(24)的轮缘截面是三角形凹槽，夹板形直杠杆(22)将轮气囊(21)(24)的轮缘包容在内，夹板形直杠杆(28)将轴气囊(23)(25)的轮缘包容在内，环形气囊(26)截面形状为三角形。
9.根据权利要求7或8所说的两用演示仪，其特征在于直杠杆(22)(28)由塑料或金属制成，气囊(21)(24)(23)(25)由塑料或橡胶膜制成。
全文摘要
本发明涉及物理教学上的演示仪，特别是折叠式滑轮、轮轴两用演示仪。由两个半圆形又连在一起的气囊或大小轮气囊或轮、轴气囊，用夹板形直杠杆夹持，且之间用定位销固定连接，中心轴通过其间且活动连接构成。气囊用可折叠的塑料或橡胶膜制成，且上面安装有气嘴与塞子。充气时，可以将直杠杆演变成多边形杠杆与半圆形杠杆，最后演变成圆形杠杆，使学生直观形象地理解滑轮，轮轴实质是可以连续旋转的变形杠杆。
文档编号G09B23/10GK1051807SQ9010875
公开日1991年5月29日 申请日期1990年10月25日 优先权日1990年10月25日
发明者周家骥 申请人:周家骥