验证运动学公式的轨道装置

摘要

一种验证运动学公式的轨道装置，属于物理教学用具。包括高度可调的支架、指示距离的标尺、运动钢球、电脑通用计数器、光电门、水平仪、角度指示仪和轨道，支架立于地面上，所述的轨道用支架支撑，轨道前端中间位置装有用以指示轨道水平的水平仪，轨道前部装有弹簧、钢球，轨道的水平方向装有用来指示运动钢球水平位移的水平标尺，竖直方向装有用于指示运动钢球竖直位移的竖直标尺，地面上设有地面水平标尺，地面水平标尺与竖直标尺接触且成90度角；轨道上间隔设置两道光电门，两道光电门分别与电脑通用计数器相连，电脑通用计数器置于轨道的上方。装置设置科学，实验过程和计算过程简单，便于学生理解掌握。

说明书

技术领域

本发明涉及一种教学工具，特别是涉及一种物理教学中使用的验证运动学公式的轨道装置，该装置可以验证自由落体和平抛运动特点平抛运动的特点及相关运动学公式。

背景技术

通常，物理教学中验证运动学公式时，用质量可以改变的砝码的重力充当外力，通过定滑轮拉动放在平面上的小车，通过秒表计时显示小车运动的时间，但实验过程中，秒表计时误差太大，重物重力和滑轮转动惯量引起的系统误差很难消除。

发明内容

为了解决现有技术中存在的诸多缺陷，本发明提供一种测量数据精确的验证运动学公式的轨道装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种验证运动学公式的轨道装置，包括高度可调的支架、指示距离的标尺、运动钢球、电脑通用计数器、光电门、水平仪、角度指示仪和轨道，支架立于地面上，所述的轨道用支架支撑，轨道前端中间位置装有用以指示轨道水平的水平仪，轨道前部装有弹簧、钢球，轨道的水平方向装有用来指示运动钢球水平位移的水平标尺，竖直方向装有用于指示运动钢球竖直位移的竖直标尺，地面上设有地面水平标尺，地面水平标尺与竖直标尺接触且成90度角；轨道上间隔设置两道光电门，两道光电门分别与电脑通用计数器相连，电脑通用计数器置于轨道的上方。

作为优选，所述的支架分为三角支架和单脚支架。

作为优选，所述的单脚支架是伸缩支架，单脚支架上装有用于调节轨道水平的调平螺母。

作为优选，所述的三脚支架是角度可调的伸缩支架，三脚支架上装有倾角指示仪。

作为优选，所述的两道光电门之间的距离可调，且距离数值由水平标尺显示。

作为优选，所述的轨道由刨光的光滑木板制成。

采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明用斜面装置验证运动学公式，调两支架处于一定高度且等高，调节调平螺母使水平仪指示水平，调节光电门1和2的位置使二者间隔一定距离，用质量已知的钢球压缩弹簧后放手使其获得一定初速度后沿轨道运动； 轨道装置上附有标尺，通过标尺读数可以精确测量钢球沿轨道移动的距离；通过轨道上的两个光电门及电脑通用计数器，可记录钢球经过两光电门时的瞬时速度。验证平抛和自由落体的运动规律时钢球A从静止开始沿轨道做匀加速直线运动，且与另一质量相等的静止钢球B弹性碰撞后，两球速度交换，A球做自由落体运动，B球做平抛运动，通过竖直标尺和地面水平标尺记录钢球的运动位移。装置设置科学，实验过程和计算过程简单，便于学生理解掌握。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是验证平抛和自由落体运动规律的结构示意图。

图中，第一道光电门1，电脑通用计数器2，第二道光电门3，竖直标尺4，单脚支架5，调平螺母 6，轨道7， 三脚支架8，倾角指示仪9，钢球A10，弹簧11， 水平仪12， 轨道水平标尺13，钢球B14，地面水平标尺 15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明公开了一种验证运动学公式的实验装置，这种轨道装置由高度可调的支架、指示距离的标尺、运动钢球、电脑通用计数器等组成。具体结构见附图1。

本实施例的轨道7由刨光的木板制成，整个轨道7由高度可调的金属支架支撑，金属支架分为三角支架8和单脚支架5。三脚支架8的角度可调，是可伸缩的支架。单脚支架5也是可伸缩支架，单脚支架5上装有用于调节轨道水平的调平螺母6。

轨道7用刨光的光滑木板制成，为矩形结构。整个轨道7的长度为100cm，宽度50cm。轨道7的前部开有供弹簧11移动的弹簧槽13。三脚支架8固定在轨道7长度10cm处，单脚支架5固定在轨道7长度90cm处，且两支架互相平行并等高，轨道7用单脚支架5和三脚支架8支撑，用三脚支架8的三角形结构支撑轨道7，这种设置增强了轨道7的稳固性能。三脚支架8、单脚支架5两支架分别采用可伸缩的支架，高低可调可升降用以调节轨道7的高度，同时三脚支架8的角度可调以改变轨道7的倾角，单脚支架5上安装调平螺母6以调节轨道7的水平，轨道7前端中间位置装有水平仪12用以指示轨道7的水平，为了调节显示轨道7的倾角大小，在三脚支架8上安装倾角指示仪9，轨道7的倾角大小由倾角指示仪9显示，从而使轨道7倾斜 0-45 度角,保证钢球A10做变加速运动。

轨道7长度最前端宽度的中间部位装有水平仪12，水平仪12采用气泡水平仪，用于指示轨道7的水平。距离水平仪125cm处装有位置可以移动的弹簧11，弹簧11一端与弹簧槽13固定，另一端与钢球A 10压接配合。弹簧11的作用是靠其弹力使钢球A10获得初速度。

整个轨道7的长边上覆有轨道水平标尺5，用于指示两道光电门之间的距离或钢球在轨道7上的位移，轨道7的短边上覆有竖直标尺4用于指示钢球做平抛运动或自由落体运动的位移，操作使用时，在工作面上设置地面水平标尺15，地面水平标尺15与竖直标尺4接触且成90度角。地面水平标尺15的作用是指示平抛运动钢球的水平位移。

整个轨道7的表面上间隔设置两道光电门，第一道光电门1与第二道光电门3之间的距离可调，且第一道光电门1与第二道光电门3之间的距离大小可由轨道水平标尺14直接读数，通常第一道光电门1与第二道光电门3两道光电门位于轨道7的中间位置间距为50cm左右，与轨道7的宽度近似相等，第一、第二两道光电门1、3分别通过连接线与电脑通用计数器2连接，电脑通用计数器2位于轨道7的上方。

为了使钢球A10获得初速度，在与钢球A10同轴线的轨道7的最前端7cm的表面处安装位置可调的弹簧11，弹簧11位于水平仪12和第一道光电门1之间。

验证平抛和自由落体的运动规律时钢球A10从静止开始沿轨道7做匀加速直线运动，且与另一质量相等的静止于轨道7最末端的钢球B16弹性碰撞后，两球速度交换，钢球A10做自由落体运动，钢球B16做平抛运动，且钢球A10运动的初始位置不同，钢球B16的落地点就不一样。

本发明的电脑通用计数器2、标尺、水平仪12、两道光电门均为市售产品。

本发明的演示过程：

如图1所示，调节三脚支架8和单脚支架5的高度为等高，之后调节单脚支架5上的调平螺母6使水平仪12指示轨道7处于水平状态，此时调节第一道光电门1和第二道光电门3之间的距离为s，位置可调的压缩弹簧11位于水平仪12和光电门1之间，钢球A 10压缩弹簧获得初速，通过电脑通用计数器9显示的钢球A 10通过光电门1、3的瞬时速度分别为 、，若、的数值近似相等，因为轨道7为刨光木板，运动钢球A 10近似做匀速运动，此时可调节三脚支架8的角度使轨道7存在一定倾角θ，θ的大小由倾角指示仪9显示，θ的存在保证钢球A10压缩弹簧11后做匀加速直线运动，根据力学的受力分析可以得到钢球A10运动的加速度为，移动第一、第二道光电门1、3的位置，改变两道光电门间的距离s，可以测得与距离s对应的一系列钢球经过第一、第二道光电门1、3的速度、，描绘关系曲线，验证运动学公式，通过电脑通用计算器2测得钢球A10从第一道光电门1运动至第二道光电门3所用的时间为，描绘与时间的关系曲线，验证了，根据以上实验数据验证匀变速运动过程中的平均速度等于中间时刻的瞬时速度。

如图2所示，验证平抛和自由落体的运动规律时，轨道7的倾角仍为θ，钢球A10从静止开始沿轨道7做匀加速直线运动，且与另一质量相等的静止于轨道7最末端的钢球B16弹性碰撞后，两球速度交换，钢球A10球做自由落体运动，钢球B16做平抛运动，且钢球A10运动的初始位置不同，则钢球A10的末速度就不一样，碰撞后钢球B16的速度随之改变，从而钢球B16的落地点就不一样。

具体验证方法实施例：

如图1所示，调节三脚支架8和单脚支架5的高度为等高，之后调节单脚支架5上的调平螺母6使水平仪12指示轨道7处于水平状态，此时调节第一、第二道光电门1、3之间的距离为s，位置可调的压缩弹簧11位于水平仪12和第一道光电门1之间，钢球A10压缩弹簧11获得初速，通过电脑通用计数器2显示的钢球A10通过第一、第二道光电门1、3的瞬时速度分别为、，若、的数值近似相等，因为轨道7为刨光木板，运动钢球A10近似做匀速运动，此时可调节三脚支架8的角度使轨道7存在一定倾角θ，θ的大小由倾角指示仪9显示，θ的存在保证钢球A10压缩弹簧11后做匀加速直线运动，根据力学的受力分析可以得到钢球A10运动的加速度为，移动第一、第二道光电门1、3的位置，改变两道光电门间的距离s，可以测得与距离s对应的一系列钢球经过第一、第二道光电门1、3的速度、，描绘关系曲线，可得到此曲线的倾角为45度，从而验证运动学公式，通过计数器测得钢球A10从第一道光电门1运动至第二道光电门3所用的时间为，描绘与时间的关系曲线，曲线斜率为常数，大小为，由此验证了将此公式代入得到，根据以上实验数据对应不同位移钢球的运动时间为，由此可以计算不同运动情况下钢球的平均速度，则钢球在中间时刻的速度，即匀变速运动过程中的平均速度等于中间时刻的瞬时速度。

对于初速度为零匀加速运动的公式验证只需将上述公式中的初速度代入零即可验证，而对于匀速直线运动的公式验证需将上述公式中的加速度代入零即可验证。

如图2所示，验证平抛和自由落体的运动规律时，轨道7的倾角仍为θ，静止钢球A10压缩弹簧11后获得初速度，使钢球B16静止于轨道7的最末端，钢球B16的位置保证钢球A10与钢球B16弹性相撞后，钢球A10做自由落体运动，钢球B16做平抛运动。钢球A10与另一质量相等的静止于轨道7最末端的钢球B16弹性碰撞后，两球速度交换，钢球A10球做自由落体运动，钢球B16做平抛运动，且钢球A10距离钢球B16的距离依次为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm，则两球在轨道末端弹性碰撞之后钢球A10速度为零，与上述距离相对应的碰后钢球B16获得的速度之比为，实验证明两钢球A10、B16会同时着地，也就是两球的运动时间相同，而两球落地点的距离之比为，从而证明平抛运动钢球B16水平方向为匀速直线运动，竖直方向与钢球A10运动情况相同为自由落体，因此平抛运动钢球B16的运动学公式为：，其中为重力加速度，为水平和竖直位移，为运动时间，而且碰撞前钢球A10与钢球B16的距离越远，则碰撞之后钢球B16的落地点越远。

上述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。