CN104966440A - 一种用于演示二维平面运动的物理实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于演示二维平面运动的物理实验装置，包括：背景板，所述背景板为浅色长方形平板结构，所述背景板具有可拆卸的固定装置，用于将所述背景板固定，所述背景板上画有对焦用的图框；摄像机，用于对所述物理实验进行拍摄；以及计算机，所述计算机根据所述摄像机所拍摄的影像资料对所述物理实验进行分析。接合各种物理实验用具，能够对作二维运动的物体进行拍摄和计算，直观、可靠地进行物理实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种中学物理教学用教具，尤其涉及一种用于演示二维平面运动的物理实验装置。
背景技术
研究运动物体遵循的规律，例如运动的路程和时间的关系，运动的速度变化与时间的关系等等，是中学物理教学的一个基本内容。
最早是用直尺、秒表来测定位置和时间，这是全手动的。以后逐渐发展出用打点计时的方式测定位置、时间。但这种测量对物体的运动会造成影响，特别当物体运动或运动的的变化稍快时，影响更大。对快速的运动，例如自由落体、平抛物体等常用频闪摄影来研究的。频闪摄影能得到非常直观的运动轨迹，但是物体的位置还是要手动的测量，而且拍摄的光照条件等，不适合课堂教学。
近年来兴起的数字化实验，基本都是用脉冲超声测距来测定位置及相应的时间，能很正确的测定物体的位置及对应的时间。但在运动轨迹的直观性方面稍欠，并要有较专业的传感器设备。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，提供一种用于演示二维平面运动的物理实验装置，包括：
背景板，所述背景板为浅色长方形平板结构，所述背景板具有可拆卸的固定装置，用于将所述背景板固定，所述背景板上画有对焦用的图框；
摄像机，用于对所述物理实验进行拍摄；
计算机，所述计算机根据所述摄像机所拍摄的影像资料对所述物理实验进行分析。
优选的，还包括：电磁铁以及驱动装置，所述电磁铁安装在所述背景板的边缘，所述电磁铁可沿所述背景板的边缘移动，所述驱动装置用于控制所述电磁铁的启动和关闭；以及，小球，所述小球为导磁材料，用于进行所述物理实验
优选的，还包括滑槽，所述滑槽可拆卸地固定在所述背景板的边缘，用于给所述小球提供初速度，所述滑槽具备相互连接的第一部分和第二部分，所示第一部分和第二部分之间的夹角可调节，所述滑槽固定于所述背景板上时，所述第二部分与水平面平行，所述第一部分的远离所述第二部分一端设置有固定点，用于固定所述电磁铁。
优选的，还包括立杆，摆线夹和摆线，所述立杆竖直固定在所述背景板的上边缘，所述摆线的一端通过摆线夹夹持在所述立杆上，另一端与所述小球相连接。
优选的，还包括弹簧和测力装置，所述弹簧一端与所述小球相连接，另一端与所述测力装置相连接，所述测力装置可拆卸地固定在所述背景板的边缘。
优选的，还包括：小车以及槽轨，所述槽轨可拆卸的固定在所述背景板的上边缘，且保持水平，用于所述小车沿所述槽轨滑动；
还包括滑杆以及安装在所述滑杆上的滑块，所述滑杆固定在所述小车上并保持所述滑杆与水平面垂直，所述滑块套设在所述滑杆上。
优选的，还包括轨道支架，轨道，小车，测力装置，所述轨道支架固定在所述背景板上，用于支承所述轨道以及调节所述轨道与水平面的夹角，所述小车与所述测力装置通过细线连接，用于对所述小车进行牵引，并测量牵引力。
优选的，在所述测力装置和所述小车之间还设置有定滑轮，用于保证所述牵引力的方向与所述轨道平行。
优选的，所述测力装置为力传感器或测力器。
优选的，还包括回收槽，设置在所述背景板的下端，用于回收实验器材。
利用本发明的用于演示物理实验的教学装置，接合了专业的分析装置和拍摄装置，能够在课堂上更清晰、直观的演示若干物理实验，并且能利用实验数据进行计算和描绘轨迹，适合课堂的光学环境，物理实验结果可靠。
附图说明
图1为本发明的一个实施方式的结构立体图；
图2为本发明的一个实施方式的结构示意图；
图3为本发明的一个实施方式的结构示意图；
图4为图3中滑槽的结构图；
图5为本发明的一个实施方式的结构示意图；
图6为本发明的一个实施方式的结构示意图；
图7为本发明的一个实施方式的结构示意图；
图8为本发明的一个实施方式的结构示意图；
图9为本发明的一个实施方式的结构示意图；
图10为本发明的一个实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的于演示物理实验的教学装置作进一步的详细描述，但不作为对本发明的限定。
实施方式1
图1为本发明的实施方式1的结构立体图，如图所示，背景板1被固定装置2固定在水平面上，从而保证背景板1的直立，其中，背景板1为具有矩形薄板结构，其中竖直方向上两面之一为展示面，涂布成浅色或白色，并印刷或雕刻有对焦用的图框。回收槽3设置在背景板1的下边缘上，用于回收实验过程中掉落的小球。
另外还具备摄像机(未图示)和电脑(未图示)，摄像机用于对物理实验过程进行拍摄，电脑用于根据摄像机所拍摄的影像资料对物理实验进行分析和计算，另外也可以在实验过程中将摄像机和电脑相连接，从而对物理实验在电脑显示器上进行同步直播。
实施方式2
图2为实施方式2的结构示意图，用于完成自由落体实验演示，与实施方式1相同的结构和功能不再赘述。电磁铁21可拆卸地安装在背景板1的上边缘，电磁铁21具备驱动电路，控制电磁铁21的开启和关闭，该驱动电路可以手动，也可以被计算机控制。小球22为铁、刚等导磁材料制成，当电磁体21开启时，被电磁铁21所吸附，当电磁铁22关闭时，则小球21掉落至回收槽3中，从而完成自由落体运动。
实施方式2的用于演示物理实验的教学装置用于演示和分析自由落体实验，根据摄像机的影像资料，利用电脑可以描绘出运动轨迹，并根据背景板1上的刻度可以读出各轨迹点的位置，并计算各轨迹点的运动速度。
实施方式3
图3为实施方式3的结构示意图，用于完成平抛运动实验演示，与实施方式1和实施方式2相同的结构和功能不再赘述。如图所示，在背景板1的边缘设置有滑槽，该滑槽可以设置在背景板1的侧边缘，也可以设置在背景板1的上边缘，滑槽的作用是给小球22一个水平初速度从而完成平抛运动。
具体结合图4，滑槽具备第一部分31和第二部分32，第一部分31和第二部分32可以如本实施方式所示采取铰接的方式连接，从而可以调节夹角δ，也可以是一体成型。
滑槽安装在背景板1的边缘上时，第二部分32与水平面保持平行，第一部分31与水平面的夹角为δ，在第一部分31的远离第二部分32的一端上安装有电磁铁21，用于对小球22进行吸附和释放。
本实施方式用于进行平抛运动，电磁铁21释放小球22后，小球22沿滑槽离开第二部分32时获得一个水平初速度，并叠加自由落体运动，从而完成平抛运动，摄像机拍摄到平抛运动后，利用电脑进行分析，描绘出小球22做平抛运动的轨迹，并计算轨迹点的速度。
实施方式4
图5为实施方式4的结构示意图，用于完成机械能守恒实验演示，与实施方式1和实施方式2相同的结构和功能不再赘述，如图5所示，滑杆41固定在背景板1的上边缘，摆线夹42夹持在滑杆51上的任意位置，用于固定摆线43的一端，摆线53的另一端与小球22相连接，电磁铁21安装在背景板1的侧边缘上，用于吸附小球22。
实验时，电磁铁21释放小球，小球演摆线运动，摄像机对其运功过程进行拍摄，并通过电脑计算，能够准确的测出轨迹点上任一点的动能和重力势能，从而得出机械能守恒定律。
实施方式5
图6为实施方式5的结构示意图，用于完成水平弹簧振子的振动实验演示，与实施方式4相同的结构和功能不再赘述，如图6所示，竖直方向上小球22通过摆线43和摆线夹42夹持在滑杆41的相应位置处，在水平方向上，小球22通过第一弹簧51与固定在背景板一个侧边缘的测力装置53相连接，同时，小球22通过第二弹簧52与固定在背景板1的另一侧边缘的测力装置54相连接。两个测力装置的水平位置保持一致，从而保证小球22在小范围摆动过程中接近于水平运动，给小球22一个水平初速度，小球22完成水平振动，通过摄影机拍摄并通过电脑分析和计时，研究振动周期与质量、弹簧的弹力系数等关系。本实施方式中测力装置53和54采用了力传感器，也可以使用测力器，另外，小球22可以采用现有实验装置中的砝码代替。
实施方式6
本实施方式用于完成单摆实验。如图7所示，采用与图5、图6相同的立杆41、摆线夹42以及摆线43，将小球22通过摆线43夹持在立杆41的相应位置，实验时给小球一个与竖直方向的初始角度，并通过摄像机拍摄，并将拍摄影像在电脑上分析计算，从而测量蛋白运动的后期、重力加速度的测量值以及研究单摆周期与摆长的关系。
实施方式7
图8和是本实施方式的结构示意图，本实施方式是用于完成运动的合成和分解的实验装置。如图所示，在背景板1的上端部安装有槽轨71，槽轨71保持与水平，槽轨71上滑动有小车72。对于小车的牵引方式，可以采用如图所示的线控方式，或者其他，小车72上固定有向下延伸的滑杆73，滑杆73保持与水平面平行，以及在滑杆73上套设有滑块74。因此，水平小车带动滑块74做水平运动，同时，滑块74在滑杆73上做竖直方向的运动，通过摄像机拍摄运动轨迹，并通过计算机分析和计算轨迹点上的水平分速度、垂直分速度，从而理解运动和合成和分解的几何关系。
滑块74的水平运动和垂直运动，由电机驱动，有电路控制，可以分别独立进行，也能一键同时进行。限位开关保证了运动的行程的安全。
实施方式8
图9是用于说明实施方式8的结构示意图，本实验是用于演示运动和加速度，如图9所示，轨道支架81固定在背景板1上，用于对轨道71进行支撑，通过调节轨道支架81可以调节轨道71与水平方向的角度。测力装置82通过细线与小车72相连接，并牵引小车在轨道71上运动，并测试所用的牵引力。摄像机对其进行拍摄，并通过电脑绘制小车运动轨迹，并测试各点的加速度和速度，研究与牵引力的关系。
优选的，如图10所示，还可以设置定滑轮83，在小车与测力装置82之间，从而能够保证小车的牵引力是平行于轨道，能够达到更精确的实验效果。
本实施方式中，测力装置82为力传感器，也可以采用测力器。
以上具体实施方式仅为本发明的示例性实施方式，不能用于限定本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这些修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于演示二维平面运动的物理实验装置，其特征在于，包括：
背景板，所述背景板为浅色长方形平板结构，所述背景板具有可拆卸的固定装置，用于将所述背景板竖直固定，所述背景板上具有对焦用的图框；
摄像机，用于对所述物理实验进行拍摄；
计算机，所述计算机根据所述摄像机所拍摄的影像资料对所述物理实验进行分析。
2.如权利要求1所述的用于演示二维平面运动的物理实验装置，其特征在于，还包括：电磁铁以及驱动装置，所述电磁铁安装在所述背景板的边缘，所述电磁铁可沿所述背景板的边缘移动，所述驱动装置用于控制所述电磁铁的启动和关闭；以及，小球，所述小球为导磁材料，用于进行所述物理实验。
3.如权利要求1所述的用于演示二维平面运动的物理实验装置，其特征在于，还包括，电磁铁，小球以及滑槽，所述滑槽可拆卸地固定在所述背景板的边缘，用于给所述小球提供初速度，所述滑槽具备相互连接的第一部分和第二部分，所示第一部分和第二部分之间的夹角可调节，所述滑槽固定于所述背景板上时，所述第二部分与水平面平行，所述第一部分的远离所述第二部分一端设置有固定点，用于固定所述电磁铁。
4.如权利要求2所述的用于演示二维平面运动的物理实验装置，其特征在于，还包括立杆，摆线夹和摆线，所述立杆竖直固定在所述背景板的上边缘，所述摆线的一端通过摆线夹夹持在所述立杆上，另一端与所述小球相连接。
5.如权利要求4所述的用于演示二维平面运动的物理实验装置，其特征在于，还包括弹簧和测力装置，所述弹簧一端与所述小球相连接，另一端与所述测力装置相连接，所述测力装置可拆卸地固定在所述背景板的边缘。
6.如权利要求1所述的用于演示二维平面运动的物理实验装置，其特征在于，还包括：小车以及槽轨，所述槽轨可拆卸的固定在所述背景板的上边缘，且保持水平，用于所述小车沿所述槽轨滑动；
还包括滑杆以及安装在所述滑杆上的滑块，所述滑杆固定在所述小车上并保持所述滑杆与水平面垂直，所述滑块套设在所述滑杆上。
7.如权利要求1所述的用于演示二维平面运动的物理实验装置，其特征在于，还包括轨道支架，轨道，小车，测力装置，所述轨道支架固定在所述背景板上，用于支承所述轨道以及调节所述轨道与水平面的夹角，所述小车与所述测力装置通过细线连接，用于对所述小车进行牵引，并测量牵引力。
8.如权利要求7所述的用于演示二维平面运动的物理实验装置，其特征在于，在所述测力装置和所述小车之间还设置有定滑轮，用于保证所述牵引力的方向与所述轨道平行。
9.如权利要求5或7所述的用于演示二维平面运动的物理实验装置，其特征在于，所述测力装置为力传感器或测力器。
10.如权利要求1用于演示二维平面运动的物理实验装置，其特征在于，还包括回收槽，设置在所述背景板的下端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20151007 |