一種用於研究小車運動規律的實驗器的製作方法

2023-06-13 13:18:21

本發明涉及一種用於研究小車運動規律的實驗器，屬於教學實驗器材技術領域。

背景技術：

在傳統的教學活動中，為研究運動規律，通常採用打點計時器牽拉紙帶記錄小車運動情況，測量各點之間的距離從而得出結論，目前多使用計時器、尺子來進行實驗，誤差很大。並且，現有的演示運動規律的實驗器多是研究拉力、小車質量、摩擦力對小車運動狀態的影響，並沒有研究接觸面積這一因素與小車的運動關係。

技術實現要素：

本發明的目的在於：針對上述問題，提供一種實驗器，不僅測量精確度高，而且可以研究小車速度與拉力、摩擦面、小車質量、小車與摩擦面接觸面積的關係，一種器材多種應用，使用方便，操作簡單。

為了達到以上目的，本發明的技術方案如下：一種用於研究小車運動規律的實驗器，包括小車、底座，其特徵在於：還包括固定於底座上的可拆卸的直線導軌、分別設於直線導軌兩端的前擋板、後擋板以及間隔設置於直線導軌中部的兩個可沿直線導軌兩側軸向移動的光電門，所述直線導軌上設置小車，所述前擋板朝向小車的一側固定緩衝件，其背離小車的一側固定滑輪，所述小車前端設有牽引線，當小車運動時，所述牽引線與直線導軌軸線平行並經滑輪朝垂向下方延伸，其末端固定牽引塊，所述小車頂端設有用於限位配重塊的限位裝置，其底端設有用於調節滾輪數量的調節裝置。

小車沿直線導軌做直線運動，直線導軌可拆卸，使用時，可以依據需要選取不同摩擦面的導軌，用於研究摩擦力與小車運動的關係。牽引力方向與小車運動方向保持一致，滑輪用於保持牽引力方向不變，以保證實驗精確度。兩光電門可以測量出小車在一段距離內的運動時間，從而得出小車的運動速度，光電門將數據發送給採集器，再傳輸至計算機，顯示出測量結果。

進一步地，所述小車底部設有若干對通過軸承與輪軸連接的滾輪，輪軸兩端具有卡槽，所述卡槽內卡有與之相適配的卡圈，所述小車底板上對應卡圈位置處設有長孔；所述輪軸上方設有垂向施力的並與輪軸抵接的壓簧，所述調節裝置設於小車底板上部，包括推拉杆和固定於推拉杆末端的滑塊，所述滑塊上表面設有與輪軸相匹配的限位槽，當滑塊卡在輪軸與小車底板之間時，輪軸嵌入限位槽內，當滑塊抽出時，小車的滾輪觸地，所述卡圈嵌入長孔內。

滾輪通過軸承與輪軸連接，小車運動時，軸承轉動而輪軸不轉動。輪軸上方設有壓簧，壓簧抵接輪軸，持續不斷地施加垂向向下的力，保證滾輪能始終著地。輪軸上還設有卡圈，當輪軸被壓簧推至貼近小車底板的位置處時，卡圈嵌入底板上的長孔內，起到限定輪軸位置的作用，保證小車平穩運行。卡圈可以採用環狀卡圈或者C形卡圈，C形的卡圈便於安裝。當需要減少小車滾輪數量時，推動推拉杆，使得滑塊插入輪軸下部，將輪軸向上頂起，則滾輪即離開地面呈懸空狀態，滑塊上還設有限位槽，輪軸正好嵌在限位槽內，起到一定程度的限位作用。滑塊是截面呈近似L形的形狀，不僅具有貼近底板的水平部分，還具有向上凸起的豎直部分，可直接設置在兩個相鄰的輪軸之間，不會脫離小車也無須抽離小車，這樣使得實驗小車更加整體化、一體化，省去過多的零件組裝過程。在實驗過程中，可通過推拉推拉杆改變實驗條件，探究小車輪子與小車所受摩擦力的關係。

進一步地，配重塊質量取值範圍為0g～100g，牽引塊質量取值範圍為10g～50g。經發明人多次試驗，該重量範圍滿足在一定長度的直線導軌上完成演示，例如20cm到80cm長度範圍內。若小車及配重塊質量過大，則可能出現牽引塊難以拉動小車的情況，若牽引塊重量過大，則小車在運動過程中可能出現失穩的情況，所以合適的拉力和合適的小車配重可以提高實驗的精確性，降低實驗誤差。

進一步地，所述前擋板上設有線槽，所述牽引線穿過線槽搭接於滑輪上。為了起到較好的阻擋作用，前擋板可能會設置得比較高，此時，在前擋板上開設線槽，則牽引線可懸空穿過線槽，不僅可以保持小車牽引力方向與運動方向一致，並且牽引線與線槽不接觸，避免了摩擦力的影響，降低實驗誤差。

進一步地，所述底座上沿軸向設有刻度貼。底座上的刻度貼用來標示兩光電門之間的距離，使用時，為達到較好的測量效果，可依據需要選擇兩光電門的擺放位置及二者之間的距離長短。

進一步地，所述直線導軌通過固定夾固定於底座上。固定夾緊固導軌，防止其在小車運動過程中偏移、移動，影響實驗精確度。

進一步地，所述光電門通過緊固件緊固於底座上。通過安裝或者拆卸緊固件實現光電門的移動和固定。

進一步地，所述緩衝件為緩衝彈簧。緩衝彈簧價格低廉且具有較好的緩衝效果。

本發明的優點如下：1.實驗器材為一體化結構，使用時，無需花費過多時間組裝；便於課堂演示；2.該實驗器材不僅可以研究小車速度與拉力、小車質量、摩擦力的關係，而且可以探究小車與摩擦面的接觸面積(輪子數量)是否對小車的運動狀態造成影響；3.採用光電門測定小車移動一段距離的時間，測量精度高。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明，其中：

圖1為實施例一結構示意圖；

圖2為滑塊抬起中間輪軸時小車底部結構示意圖；

圖3為滑塊未抬起中間輪軸時小車底部結構示意圖；

圖4為滑塊結構示意圖。

圖中：1小車，2底座，3直線導軌，4前擋板，5後擋板，6光電門，7緩衝彈簧，8滑輪，9牽引線，10配重塊,11線槽，12固定夾，13砝碼桶，14輪軸，15推拉杆，16滑塊，17限位槽，18小車底板，19滾輪，20砝碼杆，21壓簧，22卡圈，23長孔。

具體實施方式

為了更好地理解本發明，以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。

實施例一

圖1至圖4示出了本發明的第一種實施方式，如圖1所示，一種用於研究小車運動規律的實驗器，包括小車1、底座2，還包括通過固定夾12固定於底座2上的可拆卸的長800mm的直線導軌3、分別設於直線導軌兩端的前擋板4、後擋板5以及間隔設置於直線導軌中部的兩個可沿直線導軌兩側軸向移動的光電門6。固定夾12為垂直式夾鉗。直線導軌3上設置小車1，前擋板4朝向小車的一側固定兩個對稱分布的緩衝彈簧7，其背離小車的一側固定滑輪8，小車1前端設有牽引線9，當小車運動時，牽引線9與直線導軌軸線平行並搭接滑輪8朝垂向下方延伸，其末端固定的砝碼桶13，砝碼桶內加裝砝碼以改變小車拉力。砝碼桶13與其內裝入的砝碼共同作為牽引塊拉動小車運動，其內裝入的砝碼質量取值範圍為10g～50g，而砝碼桶的質量幾乎忽略不計。前擋板4上設有線槽11，所述牽引線9懸空穿過線槽11搭接於滑輪8上。小車頂端設有用於固定配重塊10的砝碼杆20，砝碼杆20直徑為4.5mm，需要增加小車配重時，將作為配重塊10的具孔砝碼套在砝碼杆20上，配重塊質量取值範圍為0g～100g。小車底部共設有三對通過軸承與輪軸14連接的滾輪19，如圖2、圖3所示，輪軸14兩端具有卡槽，卡槽內卡有與之相適配的呈C形的卡圈22，小車底板上對應卡圈位置處設有長孔23；輪軸上方設有兩個垂向施力的並與輪軸抵接的壓簧21，調節裝置設於小車底板18上部，包括推拉杆15和固定於推拉杆末端的滑塊16。滑塊16設置在小車後兩個輪軸之間，滑塊16上表面設有一條與輪軸14相匹配的限位槽17，當滑塊16卡在輪軸與小車底板18之間時，將輪軸14抬起，則小車滾輪懸空；當滑塊16抽出時，小車的滾輪19觸地，卡圈22嵌入長孔23內。如圖4所示，滑塊16截面呈近似L形的形狀，其不僅具有貼近底板的水平部分，還具有向上凸起的豎直部分，設置在兩個輪軸之間，不會脫離小車也無須抽離小車，這樣使得實驗小車更加整體化、一體化，省去過多的零件組裝過程。滑塊16頭部具有坡度，為楔形設計，便於從輪軸下部的縫隙中插入。當滑塊16卡在輪軸與小車底板18之間時，小車抬起小車中間的輪軸，並且輪軸14嵌入限位槽17內，其位置相對固定，保證小車運行的穩定性。當滑塊16抽出時，輪軸14在壓簧的壓力作用下下移，小車的滾輪19觸地。在實驗過程中，可以選擇推進或抽出滑塊，將小車觸地的滾輪變成4個或者6個，由此可以改變實驗條件，探究小車輪子與小車所受摩擦力的關係。底座上沿軸向設有刻度貼，光電門可沿刻度貼移動。

使用時，固定好底座2與直線導軌3，並將兩個光電門6沿底座上的刻度貼確定好距離並調整位置使得小車能從其下通過。在砝碼桶13內裝入砝碼。將小車拉至貼近後擋板5的位置後鬆手，小車在拉力的作用下運動，並依此通過兩個光電門，光電門採集數據並由計算機計算出通過時間，則可得出小車運動的平均速度。試驗過程中，可改變條件，選擇不同的直線導軌3、不同的配重塊10、不同的拉力、不同小車輪子數量探究小車運動規律。以下實驗數據是採用了噴塑面直線導軌(光滑面)與絨布面直線導軌(摩擦面)得出的。

下列四個表格(表1～表4)為採用該小車演示運動規律的實驗數據：

表1

表2

表3

表4

如上述4個實驗結果表格，由表1可以看出：在其他條件相同的情況下，小車配重越大，其運動速度越慢。由表2可以看出：在其他條件相同的情況下，摩擦面越粗糙，小車運動速度越慢。由表3可以看出：在其他條件相同的情況下，小車運動速度與小車的輪子數量，即小車與直線導軌的接觸面積大小無關。由表4可以看出：在其他條件相同的情況下，小車所受拉力越大，小車運動速度越快。

除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護範圍內。