本實(shí)用新型涉及一種實(shí)驗(yàn)教具，尤其涉及一種平拋運(yùn)動演示儀器。

背景技術(shù)：

平拋運(yùn)動是運(yùn)動學(xué)中一個(gè)比較經(jīng)典的運(yùn)動形式，物體平拋運(yùn)動規(guī)律也是作為重點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)，并配置一個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

然而多年來，在具體的實(shí)驗(yàn)操作中，以描繪法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，物體平拋運(yùn)動的軌跡顯現(xiàn)較為困難，無法使學(xué)生深刻理解平拋運(yùn)動的特點(diǎn)，并熟練掌握平拋運(yùn)動的規(guī)律。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實(shí)用新型提出一種平拋運(yùn)動演示儀器，所述儀器包括：

第一軌道，安裝在有機(jī)玻璃板的上部；第一軌道包括水平部分和傾斜部分，傾斜部分與垂直方向成一銳角；第一軌道的軌道水平末端與第三電磁鐵帶磁性一面等高；

第二軌道，安裝在有機(jī)玻璃板的下部；第二軌道包括水平部分和傾斜部分，傾斜部分與垂直方向成一銳角；第二軌道水平部分安裝在支架上，且與第三軌道相連；第一軌道和第二軌道與有機(jī)玻璃板在一個(gè)垂直平面上，第一軌道和第二軌道與水平面具有相同的傾斜角度；

第一電磁鐵，固定在第一軌道上部末端，與第一軌道水平部分末端有第一高度差；

第二電磁鐵，固定在第二軌道上部末端，與其水平部分末端有第二高度差；所述第一高度差與第二高度差相同；

第三電磁鐵，高度固定，帶磁性一面與第一軌道水平末端等高，安裝在固定滑竿(8)上，可水平方向移動；

光電門開關(guān)，安裝在第一軌道水平末端處；

固定滑竿，水平安裝在有機(jī)玻璃板的頂部，可調(diào)整第三電磁鐵的水平方向位置；

有機(jī)玻璃板垂直安裝在底座上；

鐵粉畫板，粘貼在有機(jī)玻璃板的正前方；

第三軌道，第三軌道與第二軌道水平部分末端連接，第三軌道安裝在支架上；

總電源指示燈，當(dāng)演示儀器通電時(shí)，總電源指示燈都會長亮；

同步控制開關(guān)，可同時(shí)控制第一電磁鐵和第二電磁鐵的斷電與通電；

變壓器，將普通家用交流電220V轉(zhuǎn)換成電路控制模塊的8V直流電，變壓器通過普通插頭連接至家用交流電；

電路總開關(guān)，控制整個(gè)演示儀器的斷電與通電；

交流電通過變壓器進(jìn)入電路總開關(guān)，總電源指示燈連接至變壓器；光電門開關(guān)以及同步控制開關(guān)并聯(lián)至電路總開關(guān)；第三電磁鐵與光電門開關(guān)串聯(lián)，第一電磁鐵和第二電磁鐵并聯(lián)后連接到同步控制開關(guān)上。

其中，所述演示儀器還包括：

底座，放置于水平面上；

支架，支架安裝在底座上，為了支撐第三軌道并保持其水平；支架緊靠在有機(jī)玻璃板上。

接收槽，放置在底座夾板前方。

其中，所述演示儀器還包括：外設(shè)錄像儀器。

其中，當(dāng)普通鋼球通過光電門開關(guān)時(shí)，門內(nèi)光線被遮擋，光電門開關(guān)被斷開。

其中，同步控制開關(guān)同時(shí)控制第一電磁鐵和第二電磁鐵的斷電與通電，確保第一電磁鐵和第二電磁鐵同時(shí)斷電，普通鋼球能同時(shí)釋放。

通過本實(shí)用新型，實(shí)現(xiàn)了對平拋運(yùn)動試驗(yàn)的可觀性強(qiáng)、實(shí)用性高、功能化等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1所示為本實(shí)用新型的平拋運(yùn)動演示儀器的示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的平拋運(yùn)動演示儀器的電路連接示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做詳細(xì)說明。

如圖1所示為本實(shí)用新型的平拋運(yùn)動演示儀器的示意圖。下面對圖中各部分進(jìn)行詳細(xì)描述。

底座1：放置于水平面上，是由硬質(zhì)板材制成的一塊平板。

軌道2：安裝在有機(jī)玻璃板9的上部，管道內(nèi)壁光滑，阻力都是較小甚至可以忽略的。

軌道2為PVC管，包括水平部分和傾斜部分。傾斜部分與垂直方向成一銳角。軌道2的軌道水平末端與電磁鐵6帶磁性一面等高，使普通鋼球A做平拋運(yùn)動下落時(shí)與普通鋼球C在豎直方向處高度相等。

軌道3：軌道3安裝在有機(jī)玻璃板9的下部，軌道3為PVC管，包括水平部分和傾斜部分。傾斜部分與垂直方向成一銳角。水平部分安裝在支架12上，且與軌道11相連。 軌道3管道內(nèi)壁光滑，阻力都是較小甚至可以忽略的。軌道2和軌道3與有機(jī)玻璃板9在一個(gè)垂直平面上，軌道2和軌道3與水平面具有相同的傾斜角度。

電磁鐵4：固定在PVC軌道2處上部末端，與PVC軌道2水平部分末端有第一高度差；當(dāng)電磁鐵4通電時(shí)，鐵芯將帶磁性，吸住普通鋼球A；當(dāng)電磁鐵4斷電時(shí)，鐵芯將不帶磁性，釋放普通鋼球A，普通鋼球A沿PVC軌道2滑動。

電磁鐵5：固定在PVC軌道3處上部末端，與其水平部分末端有第二高度差；所述第一高度差與第二高度差相同，以確保其釋放的普通鋼球B與電磁鐵4釋放的普通鋼球B有相同初速度；當(dāng)電磁鐵5通電時(shí)，鐵芯將帶磁性，吸住普通鋼球B；當(dāng)電磁鐵5斷電時(shí)，鐵芯將不帶磁性，釋放普通鋼球B，普通鋼球B沿PVC軌道3滑動。

電磁鐵6：高度固定，帶磁性一面與軌道2水平末端等高，安裝在固定滑竿8上，可水平方向移動，方便調(diào)整豎直方向運(yùn)動的鋼球落地點(diǎn)；當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，鐵芯將帶磁性，吸住普通鋼球C；當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，鐵芯將不帶磁性，釋放普通鋼球C。

光電門開關(guān)7：位置在軌道2水平末端處，當(dāng)通電時(shí)，電磁鐵6產(chǎn)生磁性，吸附鋼球。當(dāng)軌道2上的普通鋼球A通過光電門開關(guān)瞬間，門內(nèi)光線被遮擋，開關(guān)被斷開，吸附在電磁鐵6上的普通鋼球C被釋放。鋼球A、B、C大小相同。

固定滑竿8：高度固定，水平安裝在有機(jī)玻璃板9的頂部，可調(diào)整電磁鐵6的水平方向位置。

有機(jī)玻璃板9：垂直安裝在底座1上。有機(jī)玻璃板9作為一塊支架板，之所以不用玻璃板或者木板，是因?yàn)椴ＡО逡姿?、不方便打孔上螺絲，木板表面易于彎曲且容易被腐蝕，而有機(jī)玻璃板則剛好彌補(bǔ)了以上缺點(diǎn)。需要注意的是，本實(shí)驗(yàn)?zāi)巢糠稚婕暗酱判凿撉?，因此選材方面也把鐵板排除掉。

鐵粉畫板10：粘貼在有機(jī)玻璃板9的正前方，比有機(jī)玻璃板9略小，厚度薄，可隨意拆卸。(鐵粉不一定要彩色，黑色最佳)

軌道11：軌道11是透明的，與軌道3水平部分末端連接，軌道11安裝在支架12上。軌道11的材料與軌道3一樣，管內(nèi)光滑、水平，確保普通鋼球B在不受外力的作用下能作勻速直線運(yùn)動；另外之所以選用透明的PVC管，是因?yàn)殇撉蛟诠軆?nèi)滑動時(shí)能易于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(鋼球的滑動或者碰撞)。

支架12：支架12安裝在底座1上，為了支撐軌道11并保持其水平。支架12緊靠在有機(jī)玻璃板9上。

接收槽13：鋼球碰撞后，為避免鋼球散落地上，故在底座1夾板前方加組一個(gè)裝有海 綿墊的長方體接收槽。

總電源指示燈14：當(dāng)演示儀器通電時(shí)(不管電磁鐵4和5是否通電)，總電源指示燈14都會長亮。

同步控制開關(guān)15：開關(guān)左右撥動可同時(shí)控制電磁鐵4和5的斷電與通電。同步控制開關(guān)15，控制電磁鐵4和5，確保它們是同時(shí)斷電，普通鋼球A和B能同時(shí)釋放。當(dāng)閉合同步控制開關(guān)15時(shí)，電磁鐵4和5通電，產(chǎn)生磁性吸附普通鋼球A和B；當(dāng)打開同步控制開關(guān)15時(shí)，電磁鐵4和5斷電，磁性消失，普通鋼球A和B被釋放。

變壓器16：將普通家用交流電220V轉(zhuǎn)換成電路控制模塊的8V直流電。變壓器16通過普通插頭連接至家用交流電。

電路總開關(guān)17：控制整個(gè)演示儀器的斷電與通電，主要控制電磁鐵4、5、6的斷電與通電，通過同步控制開關(guān)15同時(shí)控制電磁鐵4和5的通電與斷電，通過光電門開關(guān)7控制電磁鐵6的通電與斷電。需要說明的是，在圖1中并沒有說明總電源指示燈14、變壓器16、電路總開關(guān)17、光電門開關(guān)7、同步控制開關(guān)15、電磁鐵4、5、6之間的電路連接關(guān)系，具體連接關(guān)系在圖2中有具體描述。

外設(shè)錄像儀器18(圖中未示出)：錄像儀拍攝要求不低于每秒30幀，安裝于實(shí)驗(yàn)器材正前方兩米處，確保能清晰錄下鋼球的整個(gè)運(yùn)動過程，錄像儀開關(guān)要求在電磁鐵同步控制開關(guān)開啟前打開，以便完整記錄鋼球的整個(gè)運(yùn)動過程。

圖2為本實(shí)用新型的平拋運(yùn)動演示儀器的電路連接示意圖。從圖2中可以看到，交流電通過變壓器16進(jìn)入電路總開關(guān)17，總電源指示燈14連接至變壓器16，以保證通電后總電源指示燈14保持常亮狀態(tài)；光電門開關(guān)7以及同步控制開關(guān)15并聯(lián)至電路總開關(guān)17；電磁鐵6與光電門開關(guān)7串聯(lián)，電磁鐵4和電磁鐵5并聯(lián)后連接到同步控制開關(guān)15上。電路總開關(guān)17控制光電門開關(guān)7和同步控制開關(guān)15。當(dāng)電路總開關(guān)17閉合、同步控制開關(guān)15也閉合時(shí)，電磁鐵4和5通電，產(chǎn)生磁性，吸附普通鋼球A和B。

下面對本實(shí)用新型的使用作具體描述。

1.調(diào)整軌道2和軌道3到最恰當(dāng)?shù)奈恢茫ＷC軌道2和軌道3的末端水平；在軌道3放下磁性鋼球并讓磁性鋼球滑動，用以描述水平方向的軌跡。在豎直方向放下磁性鋼球，用以描述豎直方向的軌跡。將磁性鋼球通過PVC軌道2滑下，磁性鋼球在軌道2末端拋出作平拋運(yùn)動，用以描述平拋運(yùn)動的軌跡。

2.把普通鋼球A和B(注：普通鋼球不帶磁性)吸住在軌道2和軌道3上端，斷開同步控制開關(guān)15，讓普通鋼球A和B同時(shí)下落。把普通鋼球A、B、C分別吸住在電 磁鐵4、5、6上，斷開同步控制開關(guān)15，可以實(shí)現(xiàn)“三球相撞”。

本實(shí)驗(yàn)的最大亮點(diǎn)是想通過“三球碰撞”現(xiàn)象(一個(gè)做平拋運(yùn)動的普通鋼球同時(shí)與一個(gè)水平方向做勻速直線運(yùn)動以及豎直方向做自由落體運(yùn)動的普通鋼球發(fā)生的碰撞)，從而進(jìn)一步探究平拋運(yùn)動的分解，然而碰撞瞬間肉眼難以詳細(xì)觀察，故該儀器創(chuàng)新地將外設(shè)錄像對碰撞過程進(jìn)行記錄。

當(dāng)需要描繪鋼球平拋運(yùn)動、水平方向以及豎直方向軌跡時(shí)，在電磁鐵4、電磁鐵5、以及電磁鐵6處分別釋放普通鋼球即可。

1.軌跡的描述

本演示儀器使用磁性鋼球與磁粉畫板來描述運(yùn)動的軌跡。當(dāng)磁性鋼球在水平軌道劃過時(shí)，在磁粉畫板上會留下一條清晰的水平軌跡。同理，當(dāng)磁性鋼球在豎直方向上自由下落時(shí)，在磁粉畫板上也會留下一條清晰的豎直軌跡。最后，當(dāng)磁性鋼球做平拋運(yùn)動后，在磁粉畫板上留下一個(gè)拋物線，并與水平方向的軌跡和豎直方向上的軌跡相交一點(diǎn)，從而推斷出平拋運(yùn)動是水平方向上和豎直方向上的合運(yùn)動。

2.模塊控制電磁鐵開關(guān)

本演示儀器的電磁鐵由直流電磁鐵來實(shí)現(xiàn)，直流電磁鐵屬于電磁鐵的一種，電磁鐵的工作原理主要為：線圈通電后，將電能轉(zhuǎn)化為磁場能量，產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場，從而對鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生吸引作用的一種電磁元件。

本演示儀器共有三個(gè)電磁鐵，分別在兩條平行軌道上及豎直方向上。兩條平行軌道的電磁鐵開關(guān)，通過一個(gè)斷電裝置控制，使兩個(gè)鋼球同時(shí)下落，從而保證兩個(gè)小球在軌道最低點(diǎn)有相同的初速度。豎直方向上的電磁鐵開關(guān)則通過光電門傳感器及555定時(shí)器控制。斷開電源時(shí)，直流電磁鐵產(chǎn)生的磁場也隨之消失，小球從軌道的頂端順著滑軌向下運(yùn)動，當(dāng)將要作平拋運(yùn)動的小球滑到滑軌末端時(shí)，鋼球?qū)⑼ㄟ^光電門傳感器，豎直方向上的電磁鐵磁場也隨之消失，小球?qū)⒆髯杂上侣溥\(yùn)動。

3.鋼球碰撞

本教具的兩個(gè)平行滑軌電磁鐵的位置與對應(yīng)滑軌最低點(diǎn)的的高度差是相等的，從而保證鋼球通過滑軌滑到最低點(diǎn)時(shí)初速度是相同的。當(dāng)鋼球通過兩平行滑軌滑下時(shí)，一個(gè)鋼球?qū)⒆髌綊佭\(yùn)動，另一鋼球?qū)⒆鲃蛩僦本€運(yùn)動，兩個(gè)鋼球?qū)⒃谒杰壍腊l(fā)生碰撞，由此得出作平拋運(yùn)動的鋼球水平方向的距離與水平方向作勻 速直線運(yùn)動的鋼球的距離是相同的，則平拋運(yùn)動水平方向上是作勻速直線運(yùn)動的。

當(dāng)一個(gè)鋼球通過最上面帶電磁鐵滑軌滑下作平拋運(yùn)動的時(shí)，鋼球通過光電門瞬間，豎直方向上的電磁鐵將斷電，另一吸附的鋼球?qū)⒆髯杂陕潴w運(yùn)動，并與作平拋運(yùn)動的鋼球發(fā)生碰撞，證明平拋運(yùn)動豎直方向是作自由落體運(yùn)動的。最后，通過三個(gè)鋼球碰撞從而證明平拋運(yùn)動是水平方向作勻速直線運(yùn)動豎直方向上作自由落體運(yùn)動的合運(yùn)動。

本實(shí)用新型具有以下特點(diǎn)：

1.原理簡便，現(xiàn)象直觀明顯有趣

本教具軌跡描述及鋼球碰撞演示現(xiàn)象明顯，通過磁粉板及磁性鋼球直觀的顯示出平拋運(yùn)動的軌跡。同時(shí)，通過電磁鐵及光電門開關(guān)能準(zhǔn)確地同時(shí)控制小球掉落。

利用磁粉板演示的軌跡，現(xiàn)象明顯有趣，符合學(xué)生的理解層次，原理簡單，便于學(xué)生理解，取材簡便。

2.自制性，取材方便、環(huán)保

(1)取材方便、環(huán)保性

本裝置取材環(huán)保，軌道是用PVC管制成；背板采用有機(jī)玻璃，材料環(huán)保，耐用性強(qiáng)；描述軌跡的畫板則采用的是磁粉畫板，可循環(huán)性高；底座則采用的是一

(2)自制性與創(chuàng)新性

教具的自制性和創(chuàng)新性導(dǎo)軌及PVC管經(jīng)過彎曲和切割改裝制成，實(shí)現(xiàn)軌道的較為光滑，減少小球與軌道的摩擦力，利用磁粉畫板和磁性鋼球描述的平拋運(yùn)動的軌跡清晰明了，可反復(fù)使用。

3.模塊化設(shè)計(jì)、安全性

裝置各部分均為分立、互不影響，從一定程度上保證裝置的穩(wěn)定性；另外，本裝置電磁鐵開關(guān)模塊產(chǎn)生的電最大為8V，屬于低壓直流電，因此裝置的安全性得以保證。

雖然通過實(shí)施例描述了本實(shí)用新型，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道，本實(shí)用新型有許多變形和變化而不脫離本實(shí)用新型的精神，希望所附的權(quán)利要求包括這些變形和變化而不脫離本實(shí)用新型的精神。