集物理教学和学生学习为一体的实验台

摘要

集物理教学和学生学习为一体的实验台，用于促进学生对物理知识的掌握和学习、并便于老师的教学工作。它包括支撑座和支撑台，支撑台设置在支撑座的上部，在支撑座的底部设有支腿，在支撑台上设有第一实验平台和第二实验平台，第一、第二实验平台转动安装在举升架上，在支撑台内设有驱动举升架上下移动的举升机构；在举升架上设有驱动第一、第二实验平台转动的翻转机构；在第一实验平台上设有摩擦力测量单元，在第二实验平台上设有测速单元和斜块单元。摩擦力测量单元的设置可以实现对摩擦力的测量，测速单元的设置可以实现对平均速度的测量，斜块单元的设置，可以促进学生对斜块这一物理模型的理解。

说明书

技术领域

本发明涉及学生学习用教具技术领域，具体地说是一种集物理教学和学生学习为一体的实验台。

背景技术

在学生的学习过程中，特别是在物理课程的学习过程中，对于一些物理知识的掌握情况需要眼见为实的实验来保证。而且在某些情况下，也只有实验才能说明物理原理、促进学生对物理知识的学习。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集物理教学和学生学习为一体的实验台，用于促进学生对物理知识的掌握和学习、并便于老师的教学工作。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：集物理教学和学生学习为一体的实验台，它包括支撑座和支撑台，所述支撑台设置在支撑座的上部，在所述支撑座的底部设有支腿，其特征是，在所述支撑台上设有第一实验平台和第二实验平台，第一、第二实验平台分别转动安装在一个举升架上，在支撑台内设有驱动举升架上下移动的举升机构；在举升架上设有驱动第一、第二实验平台在竖直面内转动的翻转机构；

在所述第一实验平台上设有摩擦力测量单元，所述摩擦力测量单元包括设置在第一实验平台上的若干第一实验轨道、设置在第一实验轨道上的垫子且各垫子的粗糙程度不相同、沿直线移动设置在垫子上的第一滑动块以及拉动第一滑动块做匀速直线移动的平移机构，所述平移机构主要包括平移电机、设置在平移电机输出端的第一转轮、设置在第一转轮与第一滑动块之间的弹簧测力计、连接第一滑动块与弹簧测力计以及连接弹簧测力计与第一转轮的连接绳；

在所述第二实验平台上设有测速单元，所述测速单元包括设置在第二实验平台上的第二实验轨道、沿直线活动设置在第二实验轨道上的第二滑动块、设置在第二实验轨道左侧的发射基座、活动设置在发射基座内侧的发射板、设置在发射板与发射基座之间的发射弹簧、设置在第二实验轨道右侧的缓冲垫、左右设置在第二实验轨道上的第一传感器和第二传感器、设置在第二实验平台上的表盘、设置在表盘中心的竖轴、设置在竖轴上的指针、驱动竖轴转动的计时电机，所述计时电机、第一传感器和第二传感器均与控制器信号连接；

在所述第二实验平台上还设有斜块单元，所述斜块单元包括铰接安装在第二实验平台上的斜块、放置在斜块上的第三滑动块、设置在第二实验平台与斜块底部之间的举升气缸、设置在斜块上的传感器支架、设置在传感器支架内部的距离传感器、设置在传感器支架与第三滑动块之间的缓冲板、设置在缓冲板与传感器支架之间的缓冲弹簧，在所述缓冲板上设有正对距离传感器的圆孔。

进一步地，在所述支腿之间设有行走单元，所述行走单元主要包括设置在前后两支腿之间的连接轴、固定在连接轴的两端且与支腿上下滑动连接的活动块、转动安装在连接轴两端的轮架、转动安装在轮架上的行走轮、设置在活动块与支腿之间的拉紧弹簧、设置在支腿与活动块之间的锁止机构以及驱动锁止机构工作或失效的拉动机构。

进一步地，所述锁止机构包括设置在支腿上的锁止器、滑动安装在锁止器内腔中的滑板、固定在滑板上的锁止销、设置在锁止器与滑板之间的锁止弹簧、固定在活动块上的锁止块，在锁止弹簧的作用下锁止销的作用端伸入到锁止块上的锁止孔中，在置于锁止器外部的锁止销上固定有挡板。

进一步地，所述拉动机构包括转动安装在前后支腿之间的转轴、固定在转轴上的把手、转动安装在支腿下部的第一转轮、固定在转轴两端的主动锥齿轮、与主动锥齿轮啮合且转动安装在支腿上的从动锥齿轮、与从动锥齿轮啮合配合的第二转轮以及设置在挡板与第二转轮外壁之间的拉线，且拉线与第二转轮的外壁接触。

进一步地，所述举升机构包括固定在支撑台内腔中的凸轮电机、固定在凸轮电机输出轴上的凸轮、设置在凸轮最高点与举升架之间的连杆，在举升架的底部固定有中空的活动杆，在支撑台的内腔中设有与活动杆滑动连接的固定杆。

进一步地，所述翻转机构包括固定在举升架上的翻转电机、固定在翻转电机输出轴上的蜗杆、与蜗杆啮合配合且固定在第一实验平台或第二实验平台上的蜗轮。

进一步地，所述平移机构还包括转动安装在第一实验平台上的第二转轮、设置在第一转轮与第二转轮之间的跨梁、设置在跨梁内侧的张紧轮支架、设置在张紧轮支架与跨梁之间的张紧弹簧、转动安装在张紧轮支架上的张紧轮，连接绳与张紧轮的下侧接触并与第二转轮的上侧接触。

进一步地，在所述第二实验平台上设有角度测量单元，所述角度测量单元包括铰接安装在第二实验平台上的扇形的角度尺、与角度尺固定连接的扇形的驱动块、与驱动块啮合的齿轮、驱动齿轮转动的伸缩电机，所述角度尺的铰接轴与斜块的铰接轴共轴设置，在斜块的侧面设有标示线，标示线的延长线经过斜块的铰接点。

进一步地，所述轮架上的行走轮为三个并分别位于三角形的三个顶点上。

进一步地，在第一、第二滑动块的侧面均设有导向球，所述导向球与第一、第二实验轨道的内壁接触。

本发明的有益效果是：本发明提供的集物理教学和学生学习为一体的实验台，行走单元的设置可以便于整个实验台的移动；第一实验平台上摩擦力测量单元的设置可以实现对摩擦力的测量，促进学生对摩擦力的学习；第二实验平台上测速单元的设置可以实现对平均速度的测量，促进学生对平均速度的理解；第二实验平台上斜块单元的设置，可以实现对斜块上的摩擦力的测量，促进学生对斜块这一物理模型的理解。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为行走轮的安装示意图；

图3为轮架的安装示意图；

图4为支腿的内部结构示意图；

图5为轮架与行走轮的安装示意图；

图6为锁止机构、拉线的配合示意图；

图7为锁止机构的内部结构示意图；

图8为上线轮的安装示意图；

图9为锁止器的内壁结构示意图；

图10为滑板的结构示意图；

图11为图1中的A向局部向视图；

图12为第一实验平台的示意图；

图13为摩擦力测量单元的示意图；

图14为第一实验轨道的示意图；

图15为图13中的B处局部放大图；

图16为图13中的C处局部放大图；

图17为张紧轮的位置示意图；

图18为张紧轮支架的示意图；

图19为举升机构的示意图；

图20为图19中的D处局部放大图；

图21为第二实验平台的示意图；

图22为测速单元的示意图；

图23为斜块单元的示意图；

图24为斜块的安装示意图；

图25为角度尺的安装示意图；

图26为角度尺的驱动示意图；

图27为斜块升起后斜块上的实验体由静止变移动时的示意图；

图中：1支撑座，11支腿，111弹簧腔，112滑块腔，113拉线腔，114安装腔，115圆孔，12支撑台，13拉紧弹簧，131导向柱，14锁止器，141滑板，142锁止销，143挡板，144端盖，145旋转环，146锁止弹簧，147长槽，148滚珠，15拉线，151下线轮，152上线轮，16从动锥齿轮，161主动锥齿轮，17转轴，171固定环，172把手，18密封盖；

2轮架，21行走轮，22连接轴，23轴承，24活动块，25锁止块；

3第一实验平台，30转轴，31第一实验轨道，32垫子，33平移电机，34第一转轮，341第二转轮，35第一滑动块，351耳板，352砝码盒，353导向球，36张紧轮，361张紧轮支架，37跨梁，371张紧弹簧，38连接绳，39弹簧测力计；

4举升架，41加强筋，42活动杆，43固定杆，44托板，441托板支耳，45凸轮，451连杆，46凸轮电机，461电机支撑架，47蜗轮，471蜗杆，472翻转电机；

5第二实验平台，51第二实验轨道，52发射基座，521发射弹簧，522发射板，53第二滑动块，541第一传感器，542第二传感器，55缓冲垫，56表盘，561竖轴，562指针；

6斜块，60斜块支耳，61第三滑动块，611砝码腔，62导向轮，63传感器支架，64距离传感器，65缓冲板，651缓冲弹簧，66铰接，67标示线，68举升气缸，681气缸支耳；

7角度尺，70角度线，71尺环，72驱动块，73齿轮，74伸缩电机。

具体实施方式

如图1至图27所示，本发明主要包括支撑座1、行走单元、支撑台12、第一实验平台、摩擦力测量单元、第二实验平台、测速单元、斜块单元和角度测量单元，下面结合附图对各部分进行详细描述。

支撑座：

如图1所示，支撑座1为长方体形的支撑部件，且为中空结构，用于安装其它部件。在支撑座的底部设有四个支腿11，支腿用于实现对支撑座的支撑。通过支腿的设置，整个实验台可以稳固的放置在室内环境中，为方便整个实验台的移动，在支腿之间设有行走单元。

行走单元：

如图2、图3所示，行走单元设置在左右布置的两对支腿之间，且在前后两支腿之间设有一个行走单元。行走单元主要包括轮架2、行走轮21、锁止机构和释放机构。

如图4所示，在支腿的右侧设有上下连通设置的弹簧腔111和滑块腔112，在支腿的左侧设有拉线腔113，在拉线腔的下部与滑块腔之间设有安装腔114，在拉线腔的上方设有圆孔115，圆孔与拉线腔连通且圆孔的轴线位于水平面内。

如图5所示，轮架2为三角形结构，在轮架的三个角上分别转动安装有一个行走轮21，每一行走单元包含两个轮架2，两轮架分别通过轴承23转动安装在连接轴的两端，在轮架上设有盲孔，在盲孔中固定有轴承。在每一连接轴的两端还分别固定有“7”字形的活动块24，在活动块的内侧固定有三角形的锁止块25，在锁止块的斜面上设有锁止孔。连接轴两端的活动块置于对应的弹簧腔111中，在活动块的顶部与弹簧腔的顶部之间设有拉紧弹簧13，为实现对拉紧弹簧的导向，在弹簧腔的顶部固定有置于拉紧弹簧内侧的导向柱131。在拉紧弹簧的作用下，下方的行走轮的最下端高于支腿的底面。用脚踩住连接轴向下压，可驱使下侧的两行走轮与地面接触。此时为实现对轮架的锁止，在活动块与支腿之间设有锁止机构。

如图7所示，锁止机构包括锁止器14、滑板141、锁止销142、挡板143、端盖144、锁止弹簧146和滚珠148，锁止器为一端敞口的中空结构，在锁止器的内腔中滑动安装有滑板141，如图9所示，在锁止器的内壁上设有若干在同一圆周上均匀分布的长槽147，如图10所示，在滑板的圆形外壁上设有若干沿周向均匀设置的滚珠148，滚珠可以在滑板上做360度转动，滑板置于锁止器内腔中后滚珠的一部分置于长槽中。在滑板上固定有锁止销142，在锁止器的敞口端设有端盖144，端盖上设有与锁止器螺纹连接的旋转环145。在端盖与滑板之间设有锁止弹簧146，在锁止弹簧的作用下锁止销的作用端伸出锁止器，在锁止器外部的锁止销上固定有挡板146。

如图6所示，在挡板上系有拉线15，拉线的一端与挡板固连，拉线的另一端固定在上线轮152的外壁上，上线轮转动安装在圆孔中，在拉线腔的下部转动安装有下线轮151，拉线绕过下线轮后固定在上线轮外壁上。如图8所示，上线轮与从动锥齿轮16共轴设置。如图3所示，在两支腿的上部之间设有转轴17，在转轴的两端分别固定有主动锥齿轮161，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合。在圆孔中设有轴承23，转轴固定在轴承的内圈中。为实现对圆孔的封闭，在圆孔中还固定有密封盖18。为便于驱动转轴的转动，在转轴的中部固定有固定环171，在固定环上固定有把手172。

将连接轴向下压并通过锁止机构实现对活动块的锁止后，可通过行走轮的转动实现对整个实验台的移动。转动把手，驱动转轴的转动，进而使得拉线向上提拉，此时便可驱动锁止销向远离活动块的一侧移动，当锁止销从活动块上的锁止孔中移出后，在拉紧弹簧的作用下行走轮上移。

在支撑座的顶部设有撑台12，在支撑台上设有第一实验平台3和第二实验平台5。如图11所示，在第一实验平台上设有摩擦力测量单元。

摩擦力测量单元：

如图12、图13所示，摩擦力测量单元包括第一实验轨道31、垫子32、平移电机33、第一转轮34、第二转轮341、第一滑动块35、砝码盒352、张紧轮36、跨梁37和连接绳38，如图14所示，第一实验轨道31为设置在第一实验平台顶部的多组，每组包含两个平行设置的轨道板，在两轨道板之间设有垫子32，各组第一实验轨道中的垫子表面粗糙度不一样。在第一实验轨道中设有第一滑动块35，第一滑动块的底部与垫子接触，如图15所示，在第一滑动块的两侧分别设有导向球353，导向球的大部分置于第一滑动块内且可以相对第一滑动块做360度转动，导向球与第一实验轨道接触，导向球的设置可以保证第一滑动块在第一实验轨道内做直线运动。在第一滑动块的顶部设有一对左右设置的耳板351，在第一滑动块的顶部还设有多个砝码盒352。在每一组第一实验轨道的左右两侧分别设有一个平移电机33，如图16所示，在平移电机的输出端固定有第一转轮34，如图17所示，在第一实验平台上转动安装有第二转轮341，在第一、第二转轮之间设有倒U形的跨梁37，在跨梁内侧设有与跨梁滑动连接的张紧轮支架361，如图18所示，张紧轮支架为倒U形结构。在张紧轮支架上转动安装有张紧轮36，张紧轮与第一、第二转轮分别位于三角形的三个顶点上，在张紧轮支架与跨梁之间设有张紧弹簧371。两耳板与两第一转轮一一对应，在对应的耳板与第一转轮之间设有连接绳38，连接绳的一端系在耳板上，连接绳的另一端固定在第一转轮的外壁上，且连接绳与张紧轮和第二转轮外壁接触。在张紧弹簧的作用下连接绳被拉直。

平移电机、第一转轮、第二转轮、张紧轮和连接绳构成了平移机构，且两平移机构中的平移电机交替工作，在其中一个连接绳上还设有弹簧测力计39。右侧平移机构工作时，右侧平移机构中的平移电机带动第一转轮顺时针转动，此时左侧平移机构中的平移电机不动作、第一转轮无阻力的绕平移电机输出轴顺时针转动。左侧平移机构工作时，左侧平移机构中的平移电机带动第一转轮逆时针转动，此时右侧平移机构中的平移电机不动作、第一转轮无阻力的绕平移电机输出轴逆时针转动。即，左侧平移机构中的第一转轮可以在平移电机的带动下逆时针转动，但左侧平移机构中的平移电机不工作时，第一转轮可以无阻力的顺时针转动。右侧平移机构中的第一转轮可以在平移电机的带动下顺时针转动，但右侧平移机构中的平移电机不工作时，第一转轮可以无阻力的逆时针转动。右侧平移机构工作时可以拉动第一滑动块匀速向右移动，此时可以读出弹簧测力计上的读数，该读数为第一滑动块与垫子之间的摩擦力。根据摩擦力的计算公式f＝μN，可以在砝码盒中加入砝码，增大第一滑动块与垫子之间的正压力，以验证摩擦力的大小与正压力有关。不同垫子的粗糙程度不同，进而不同垫子的摩擦因数μ不同，进而可以得出摩擦力与摩擦因数μ有关的结论。在同一第一实验轨道中，保持第一滑动块上砝码数量不变，还可以使得平移电机输出不同的转速，再次观看弹簧测力计上的读数，进而研究摩擦力是否与物体的速度有关系。也可仅设置第一转轮，去除第二转轮和张紧轮，连接绳的一端固定在第一转轮的外壁上，连接绳的另一端系在第一滑动块上。

当不使用该实验台时，可以将第一实验平台倒转180度。如图19所示，在支撑座与第一实验平台之间设有举升机构。举升机构包括举升架4、活动杆42、固定杆43、托板44、凸轮45、连杆451、凸轮电机46、蜗轮47、蜗杆471和翻转电机472，举升架为U形结构，在第一实验平台的两端分别设有转轴30，转轴转动安装在举升架上。在举升架上设有加强筋41，在举升架的底部固定有中空的活动杆42，在支撑座的内腔中设有固定杆43，固定杆的上部置于活动杆的内腔中且两者滑动连接。在举升架的底部固定有托板44，在支撑座的内腔中固定有电机支撑架461，在电机支撑架上固定有凸轮电机46，在凸轮电机的输出端固定有凸轮45，在托板的底部固定有托板支耳441，在托板支耳与凸轮之间设有连杆451。凸轮电机工作时，可以驱动举升架连同第一实验平台的上下移动。如图20所示，在其中一个转轴上固定有蜗轮47，在举升架上固定有翻转电机472，在翻转电机的输出端固定有蜗杆471，蜗杆与蜗轮啮合，翻转电机、蜗杆和蜗轮构成了翻转机构，翻转机构工作时可以驱动第一实验平台在竖直面内转动，且翻转机构每动作一次第一实验平台翻转180度。第一实验平台的上表面朝下后，摩擦力测量单元便隐藏于支撑座内腔中。需要隐藏第一实验平台的上表面时，首先驱动凸轮电机动作，使得举升架下移，当举升架下移至最低点后，驱动翻转电机动作，使得第一实验平台翻转180度，最后驱动举升架复位即可。

在第一实验平台的前侧设有第二实验平台，第二实验平台置于支撑台顶部的方孔中。在第二实验平台上设有测速单元。

测速单元：

如图21所示，测速单元包括第二实验轨道51、发射基座52、发射弹簧521、第二滑动块53、第一传感器541、第二传感器542、表盘56、竖轴561和指针562，第二实验轨道包括平行设置的两轨道板，在两轨道板之间设有第二滑动块53，如图22所示，在第二滑动块的两侧设有与轨道板接触的导向球，在导向球的作用下第二滑动块在第二实验轨道上沿直线移动。在第二实验轨道的左侧设有U形的发射基座52，发射基座的敞口端与第二实验轨道接触，在发射基座内侧设有发射板522，在发射板与发射基座之间设有发射弹簧521，需要将第二滑动块推出时，使第二滑动块与发射板接触并压缩发射弹簧，然后松开第二滑动块即可。为实现对第二滑动块的速度测量，在第二实验轨道中设有第一传感器541和第二传感器542，第一传感器与第二传感器之间的距离为L，且L值不变。在第二实验轨道的末端设有缓冲垫55，以防止第二滑动块冲出第二实验轨道。缓冲垫可以为充满气的橡胶件，也可以为海绵件。在第二实验平台上还设有表盘56，在表盘上设有时间刻度线，在表盘的中心设有竖轴561，在竖轴上固定有指针562，在第二实验平台上设有驱动竖轴转动的计时电机，计时电机与控制器信号连接，控制器与第一、第二传感器信号连接，第二滑动块经过第一传感器时，第一传感器向控制器发送信号，控制器控制计时电机动作，此时竖轴转动，开始计时；第二滑动块经过第二传感器时，第二传感器向控制器发送信号，控制器控制计时电机停止动作，此时竖轴停止转动，计时结束。此时表盘上指针所示的时间即为第二滑动块经过第一、第二传感器的时间t，此时便可以测出第二滑动块的平均速度V。发射弹簧的压缩量越大，第二滑动块的初始速度就越大，此时测出的平均速度值V就越大。在此也可以得出弹簧的形变越大，弹簧的弹力就越小。

斜块单元：

在第二实验平台上设有斜块单元，斜块单元包括斜块6、第三滑动块61、导向轮62、距离传感器64、缓冲板65、缓冲弹簧651和举升气缸68，如图23所示，斜块为U形的长条结构，在斜块的内侧设有第三滑动块61，在第三滑动块的两侧分别转动安装有导向轮62，在斜块的内壁上设有限位槽，导向轮的一部分置于限位槽中，限位槽与导向轮的设置可以防止第三滑动块与斜块的脱离。在第三滑动块的顶部设有砝码槽611，用于放置砝码。如图24所示，斜块的右端铰接66安装在支撑台上，在斜块的右端设有传感器支架63，在传感器支架内设有距离传感器64，在斜块的内侧还设有缓冲板65，在缓冲板与传感器支架之间设有缓冲弹簧651。在斜块的侧面设有标示线67，标示线的延长线经过斜块的铰接点，标示线应颜色明显。在斜块的底部固定有斜块支耳60，在支撑台的内腔中设有气缸支耳681，在气缸支耳与斜块支耳之间设有举升气缸68，举升气缸动作时可以驱动斜块的摆动。在物理知识中，置于斜面上的物体所受的摩擦力为f＝μmgcosθ，θ为斜面的倾斜角度。物体重力沿斜面的分力为F1＝mgsinθ，当F1>f时，斜面上的物体开始沿斜面向下移动，即mgsinθ>μmgcosθ，tanθ>μ。对于特定的斜面而言，μ为定值，因此θ值便可确定。为实现对θ的测量，进而得出μ，在第二实验平台上设有角度测量单元。

角度测量单元：

如图25所示，在第二实验平台上转动安装有扇形的角度尺7，角度尺的铰接轴与斜块的铰接轴共线设置。在角度尺上设有尺环71，角度尺通过尺环与第二实验平台铰接。在角度尺上固定有扇形的驱动块72，角度尺与驱动块构成一个半圆形，在驱动块的圆弧形外壁上设有齿，在第二实验平台上设有伸缩电机74，在伸缩电机的输出端设有齿轮73，齿轮与驱动块啮合配合。通过伸缩电机驱动驱动块的转动，进而驱动角度尺的转动。当需要测量斜块的倾斜角度时，如图25所示，驱动伸缩电机动作使得角度尺的零刻度线与水平面平齐。驱动举升气缸动作，使得斜块绕铰接点摆动，随着斜块的不断摆动，第三滑动块沿斜面方向的分力逐渐大于第三滑动块的摩擦力，当第三滑动块沿斜面方向的分力等于第三滑动块的摩擦力时，第三滑动块开始移动。此时距离传感器感知到第三滑动块的移动，距离传感器与控制器信号连接，距离传感器向控制器发送信号，控制器又与举升气缸的电磁阀信号连接，控制器向举升气缸电磁阀发送信号，使得举升气缸停止动作，如图27所示，此时斜块与水平面之间的夹角角度值便可通过角度尺测量出来，及标示线指示的角度值。为保证距离传感器顺利的实现对第三滑动块与距离传感器之间距离的检测，在缓冲板上设有正对距离传感器的圆孔。

当不使用该实验台时，也可以将第二实验平台倒转180度。第二实验平台与支撑台之间也设有举升机构，该举升机构与第一实验平台与支撑台之间的举升机构结构、工作过程完全相同。