力的矢量合成與分解教學演示儀的製作方法

2023-06-11 12:42:41 2

專利名稱：力的矢量合成與分解教學演示儀的製作方法
技術領域：
力的矢量合成與分解教學演示儀技術領域[0001]本實用新型涉及一種實驗裝置，具體的說，是高中物理課程中關於力的矢量合成與分解教學演示的裝置。
背景技術：
[0002]目前，多數的普通高中均採購了不同種類的「力的合成與力的分解實驗儀」，以圖1 所示儀器為最多。該裝置由木板、繪圖紙、彈簧測力計、橡皮筋、細繩和圖釘等組成，雖然該裝置具有結構簡單、水平放置，便於繪圖的優點，但在實際教學中發現此種儀器存在以下不足[0003]①、實驗者不能單獨完成實驗，須多人配合方可進行；[0004]②、分力、合力的大小和方向完全由實驗者拉動彈簧測力計控制，實驗基礎數據缺乏穩定性，導致分力與合力之間的平行四邊形矢量關係驗證精度低。[0005]除上述裝置外，在實驗課教學中經常使用的還有另外一種力的合成與分解演示裝置，其如圖2所示。該裝置由刻度盤、位置可調滑輪、彈簧測力計、細繩、鉤碼、支架等組成， 雖然該裝置具有豎直放置、實驗效果比較宏觀的的優點，但在實際教學中發現此種儀器也存在以下不足[0006]①、因為該裝置無繪圖的介質，所以實驗者無法畫出直觀的分力、合力所構成的矢量圖形，實驗者在實驗時只能將分力、合力矢量轉移到黑板或白紙等其他介質上，實驗操作方法不能保證實驗的連貫性，造成實驗累計誤差較大；[0007]②、該裝置在調整分力方向時操作困難，需要反覆調整才能確定分力夾角，同時由於細繩造成的角度視差、匯力環的偏心和滑輪的靜摩擦大等因素，造成實驗結果誤差較大；[0008]③、由於該裝置支架部分不夠牢固，當兩分力數值相差較大時，裝置容易側翻。 發明內容[0009]鑑於上述兩種現有實驗儀器在實際教學演示中存在的缺點與不足，本實用新型的目的在於提供一種力的矢量合成與分解教學演示儀。通過應用本演示儀，可以驗證出不在同一直線上的兩個力的合力滿足平行四邊形矢量關係，另外還可以有效地降低實驗誤差， 進而使學生加深對力學問題的理解。[0010]本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現[0011]力的矢量合成與分解教學演示儀，是由繪圖板、匯力環調節柱、緊固螺栓、滑輪調整器、鉤碼、受力細繩和繪圖板支架構成。繪圖板上置有量角器、位置調整孔、滑槽、繪圖紙，繪圖紙壓塊將繪圖紙固定在繪圖板上；匯力環調節柱設置在繪圖板的最左端，兩段連接細繩分別將橡皮筋、連接環和匯力環連接起來；滑輪調整器分上、右、下三組，分別由滑動支架、滑輪支架、滑輪和滾動軸承組成，滑動支架的一端由緊固螺栓固定在繪圖板上的位置調整孔內，另一端裝有滑輪支架，滑動支架下部的圓柱形凸臺可在滑槽內滑動，滑輪支架可在滑動支架上實現360°圓周旋轉，滑輪上裝有滾動軸承；三條受カ細繩的一端與匯カ環相 連，另一端繞過滑輪連接下垂的鉤碼，繪圖板下部置有繪圖板支架。本實用新型與現有技術相比，具有的優點和產生的有益效果是①、操作簡單，易於繪圖本儀器採用水平放置，繪圖紙由繪圖紙壓塊直接固定在繪圖板上，實驗者可以直 接在繪圖紙上驗證分力與合力之間的平行四邊形矢量關係，保持了實驗的連貫性，提高了 實驗效率，同時也降低了實驗數據的誤差。②、通過滑輪調整器擴大了分力夾角的實驗範圍上、下兩組滑輪調整器可根據實驗的要求，安裝在繪圖板上、下三個位置調整孔 處，進而得到分力之間不同的夾角。另外對於特殊角度，三個滑輪調整器可以組合使用，即 右側滑輪調整器可充當分力，上、下滑輪調整器可充當合力。經驗證，本裝置可以實驗的分 力角度區間為(0°，180° )。③、改進滑輪支架，減小摩擦力在滑輪支架上安裝滾動軸承，代替原儀器滑輪與固定軸的組合，可以有效地減少 受カ細繩與滑輪、滑輪與固定軸之間的摩擦力，提高了實驗的靈敏度，大大降低了實驗結果 的誤差。④、增設匯カ環調節柱通過調整連接細繩在匯力環調節柱上的位置，可以使匯力環與繞過滑輪的受カ細 繩均在同一平面上，即分力與合力屬平面力系。⑤、避免傾翻與側翻繪圖板的下部設有繪圖板支架，支撐牢固，完全可以避免實驗時的傾翻與側翻。⑥、結構簡單，安裝方便滑輪調整器是本裝置的核心部件。三組滑輪調整器的尺寸與形狀完全相同，具有 互換性，可以為製造環節提供便利條件。滑動支架的固定方式是首先擰緊緊固螺栓，然後利 用滑動支架下端的圓柱形凸臺與滑槽之間的摩擦カ實現自鎖，固定效果良好。滑輪支架採 用軸孔配合的方式與滑動支架相連，滑輪支架可在滑動支架上實現360°旋轉，便於調整滑 輪的切線方向與分力或合力的方向平行。

圖1現有力的合成與分解實驗儀1。圖2現有力的合成與分解實驗儀2。圖3本實用新型平面示意圖。圖4本實用新型立面示意圖。圖5是圖3匯カ環調節柱示意圖。圖6是圖3滑輪調整器示意圖。圖7是實施例中②演示說明附圖。圖8是實施例中③演示說明附圖。圖9是實施例中④演示說明附圖。圖10是實施例中⑤演示說明附圖。
具體實施方式
[0035]如圖3、圖4所示，力的矢量合成與分解教學演示儀，是由繪圖板1、匯力環調節柱2、緊固螺栓9、滑輪調整器10、鉤碼15、受力細繩19和繪圖板支架20構成。繪圖板上置有量角器7、位置調整孔16、滑槽8、繪圖紙17，繪圖紙壓塊18將繪圖紙17固定在繪圖板1上， 起到方便繪圖的作用；匯力環調節柱2設置在繪圖板1的最左端，兩段連接細繩3分別將橡皮筋4、連接環5和匯力環6連接起來(見圖幻；滑輪調整器10分上、右、下三組，分別由滑動支架11、滑輪支架12、滑輪13和滾動軸承14組成(見圖6)，滑動支架11的固定方式是首先擰緊緊固螺栓9，然後利用滑動支架下端的圓柱形凸臺與滑槽8之間的摩擦力實現自鎖，滑輪支架12採用軸孔配合的方式與滑動支架11相連，滑輪支架12可在滑動支架11上實現360°圓周旋轉，以便於調整滑輪13的切線方向與分力或合力的方向平行；三段受力細繩19的一端與匯力環6相連，另一端繞過滑輪支架12上的滑輪13與鉤碼15相連。繪圖板1上設置7個位置調整孔16，可根據實驗所需角度，設置滑輪調整器10的不同位置，另外三個滑輪調整器10可以調換組合使用，可以實驗的分力角度區間為(0°，180° )；繪圖板1下部置有繪圖板支架20，起固定整套裝置的作用。[0036]實施例1 [0037]對於分力夾角為特殊角度和一般角度的情況，本實用新型均可以驗證分力與合力之間的平行四邊形矢量關係。因特殊角度沒有一般性，且與一般角度的操作方法基本相同， 所以現只對一般角度的操作方法說明如下[0038]①、首先用繪圖紙壓塊18將繪圖紙17固定在繪圖板1上，然後將兩段連接細繩3、橡皮筋4(可自定根數)、連接環5和匯力環6連接起來，並將其一端拴在匯力環調節柱2 上，在橡皮筋4不受外力的狀態下，在繪圖紙17上標記其水平伸展點，記為0點，同時放置量角器7，使其零點與0點重合。[0039]②、在匯力環6上系兩根受力細繩19和19'，分別繞過上、下滑輪13和13『，分別旋轉上、下滑動支架11和11'，將上、下緊固螺栓9和9'擰緊，然後在上、下滑動支架 11和11'上分別旋轉滑輪支架12和12'，使上、下滑輪13和13'的切線方向與兩個分力方向Fp F2平行。輕拉受力細繩19和19'，用直尺在繪圖紙1上分別畫出受力細繩19和 19'(即分力)的方向。(見圖7)[0040]③、分別在受力細繩19和19'的末端掛上一定數量的鉤碼15和15'，此時匯力環6的位置已被拉至O1點，在繪圖紙17上標記出O1點的位置，然後根據鉤碼15和15'的重量按一定比例沿②部確定的FpF2方向畫出兩分力的大小。(見圖8)[0041]④、將③所使用的受力細繩19和19'、鉤碼15和15'移出，以③步所畫出的兩條矢量線段(Fl和F2)為鄰邊畫平行四邊形，並畫出該平行四邊形的對角線。由於方向誤差， 此時對角線的一端點不一定和O1點重合。根據③步確定的鉤碼重量與矢量長度的比例關係，計算出理論合力Fa合的數值。(見圖9)[0042]⑤、畫線段連接0和O1點，在匯力環6上系受力細繩19，並將其一端繞過儀器右側的滑輪13，調整滑動支架11與滑輪支架12的角度，使受力細繩19的方向與線段OO1重合， 在中滑輪上試掛鈎碼15，使匯力環的中心與O1點重合。此時鉤碼的總重量即為實驗合力F 實合的數值。(見圖10)[0043] ⑥、根據理論合力F理合與實驗合力F實合數值，採用公式Δ = |F理合-F實合|/F理 g X 100%來計算裝置的實驗誤差，經過多次實驗，本裝置的誤差為1_2%，遠低於國家相關標準10%的要求。
權利要求1.力的矢量合成與分解教學演示儀，其特徵在於包括繪圖板、匯力環調節柱、緊固螺栓、滑輪調整器、鉤碼、受力細繩和繪圖板支架。所述繪圖板上置有量角器、位置調整孔、滑槽、繪圖紙，繪圖紙壓塊將繪圖紙固定在繪圖板上；所述匯力環調節柱設置在繪圖板的最左端，連接細繩分別將橡皮筋、連接環和匯力環連接起來；所述滑輪調整器由滑動支架、滑輪支架、滑輪和滾動軸承組成，滑動支架的一端由緊固螺栓固定在繪圖板上的位置調整孔內， 另一端裝有滑輪支架，滑動支架下部的圓柱形凸臺可在滑槽內滑動，滑輪上裝有滾動軸承； 所述受力細繩一端與匯力環相連，另一端繞過滑輪連接下垂的鉤碼；所述繪圖板下部置有繪圖板支架。
2.如權利要求1所述的力的矢量合成與分解教學演示儀，其特徵在於位置調整孔的數量為7個。
3.如權利要求1所述的力的矢量合成與分解教學演示儀，其特徵在於連接細繩為兩段。
4.如權利要求1所述的力的矢量合成與分解教學演示儀，其特徵在於滑輪調整器在繪圖板上按上、右、下方式布局，合計為三組。
5.如權利要求1所述的力的矢量合成與分解教學演示儀，其特徵在於滑動支架的固定方式是首先擰緊緊固螺栓，然後利用滑動支架下端的圓柱形凸臺與滑槽之間的摩擦力實現自鎖。
6.如權利要求1所述的力的矢量合成與分解教學演示儀，其特徵在於滑輪支架採用軸孔配合的方式與滑動支架相連，滑輪支架可在滑動支架上實現360°圓周旋轉。
專利摘要本實用新型公開了一種力的矢量合成與分解教學演示儀，包括繪圖板、匯力環調節柱、緊固螺栓、滑輪調整器、鉤碼、受力細繩和繪圖板支架。繪圖板上置有量角器、位置調整孔、滑槽、繪圖紙，繪圖紙壓塊將繪圖紙固定在繪圖板上；匯力環調節柱設置在繪圖板的最左端，連接細繩分別將橡皮筋、連接環和匯力環連接起來；滑輪調整器由滑動支架、滑輪支架、滑輪和滾動軸承組成，根據實驗所需的角度，滑輪調整器可以安裝在繪圖板上不同的位置調整孔處，滑動支架採用緊固螺栓及自身下端的圓柱形凸臺與滑槽之間的摩擦力固定，滑輪支架可在滑動支架上進行360°圓周旋轉；三條受力細繩的一端與匯力環相連，另一端繞過滑輪連接下垂的鉤碼。本演示儀降低了實驗過程中的誤差，可以較好地驗證分力與合力之間的平行四邊形矢量關係，有利於提高實驗教學的效果。
文檔編號G09B23/10GK202258038SQ201120355369
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月9日 優先權日2011年9月9日
發明者張強, 朱黎, 李宗剛, 武振鋒, 王瑜, 肖強 申請人:蘭州交通大學