楊曉桐

【摘 要】自由落體運(yùn)動(dòng)是自然界中一種常見的勻變速直線運(yùn)動(dòng)，是高中物理課程中的重要內(nèi)容之一。本文提出一種自由落體實(shí)驗(yàn)用模擬結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】高中物理；自由落體實(shí)驗(yàn)；模擬結(jié)構(gòu)

在物理學(xué)習(xí)中，通過實(shí)驗(yàn)的方式可以幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和理解物理知識(shí)，提高自己的物理成績。對(duì)高中學(xué)生來說，自由落體是物理學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。自由落體實(shí)驗(yàn)是一種有效的學(xué)習(xí)方法，在試驗(yàn)測試中，需要使用相關(guān)的器材反映鐵球的下落，獲得真實(shí)的檢測數(shù)據(jù)，從而深入了解自由落體運(yùn)動(dòng)知識(shí)?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)在循環(huán)使用中存在不足，反復(fù)示范操作十分不方便。本次研究提供高中物理自由落體實(shí)驗(yàn)用模擬結(jié)構(gòu)，能夠使球體在實(shí)驗(yàn)中自動(dòng)復(fù)位，方便在操作中反復(fù)示范。

一、自由落體實(shí)驗(yàn)用模擬結(jié)構(gòu)實(shí)施方式

高中物理自由落體實(shí)驗(yàn)用模擬結(jié)構(gòu)，包括一端側(cè)壁開放的殼體，在所述殼體的頂部內(nèi)壁上設(shè)置有多個(gè)軸線相互平行的槽管，在所述殼體的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上開有凹槽，絲桿活動(dòng)貫穿殼體頂部后向凹槽內(nèi)延伸，在殼體底部內(nèi)壁上設(shè)有上端開放的盒體，且盒體的開放端正對(duì)多個(gè)槽管的端部，在盒體的底部填充有橡膠體，橡膠體上開有多個(gè)與所述槽管相對(duì)應(yīng)的T型槽，T型槽貫穿盒體側(cè)壁后與殼體內(nèi)部連通，T型槽的槽深沿盒體水平指向?qū)к壍姆较蜻f增，在殼體內(nèi)部還設(shè)有支撐板，在支撐板的一端設(shè)有突起，突起置于凹槽內(nèi)，且突起上開有與絲桿相配合的螺孔；還包括呈三棱柱狀的導(dǎo)向臺(tái)，所述導(dǎo)向臺(tái)的一個(gè)棱角與所述支撐板的上表面鉸接，在支撐板的上表面設(shè)有氣缸，氣缸的輸出端與導(dǎo)向臺(tái)的一端底部鉸接，導(dǎo)向臺(tái)的另一端與多個(gè)T型槽對(duì)向設(shè)置，初始狀態(tài)下導(dǎo)向臺(tái)的上表面與水平面平行，且在導(dǎo)向臺(tái)的上表面上開有多個(gè)與T型槽對(duì)接的導(dǎo)向槽，且所述導(dǎo)向槽的槽深由T型槽水平指向?qū)к壍姆较蜻f增；實(shí)驗(yàn)時(shí)，球體由槽管中向下做自由落體運(yùn)動(dòng)，落入T型槽內(nèi)后進(jìn)入至導(dǎo)向槽中，通過旋轉(zhuǎn)絲桿，導(dǎo)向臺(tái)上移，啟動(dòng)氣缸，導(dǎo)向臺(tái)的一端被抬升且其另一端下降，球體由導(dǎo)向槽內(nèi)重新進(jìn)入至槽管內(nèi)。

針對(duì)現(xiàn)有的自由落體運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，球體無法循環(huán)復(fù)位，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，申請(qǐng)人對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了改進(jìn)，即利用多個(gè)槽管與盒體的對(duì)中，以及支撐板、導(dǎo)向臺(tái)、導(dǎo)軌的相互配合，使得不同質(zhì)量的球體在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，能夠快速實(shí)現(xiàn)球體的復(fù)位，只需控制球體下落，便可在盒體內(nèi)真實(shí)反映出兩個(gè)或是多個(gè)球體同時(shí)落地的結(jié)果，符合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)的需要，方便反復(fù)實(shí)驗(yàn)觀察；具體使用時(shí)，在槽管的端部增加端蓋，以確保進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的多個(gè)球體處于同樣的水平高度，同時(shí)取下多個(gè)端蓋，使得多個(gè)球體開始做自由落體運(yùn)動(dòng)，而盒體采用透明塑料制成，而盒體底部填充的橡膠體能夠?qū)ο侣涞那蝮w進(jìn)行一定緩沖，以免球體反彈過度，落入T型槽內(nèi)的球體會(huì)沿T型槽進(jìn)入到導(dǎo)向臺(tái)上的導(dǎo)向槽內(nèi)，支撐板與導(dǎo)向臺(tái)鉸接，且導(dǎo)向臺(tái)的一端與位于支撐板上的氣缸輸出端連接，而T型槽與導(dǎo)向槽均傾斜設(shè)置，且在球體移動(dòng)到導(dǎo)向槽的極限位置時(shí)便停止移動(dòng)，進(jìn)而保證導(dǎo)向臺(tái)以及球體的上升穩(wěn)定性，當(dāng)導(dǎo)向臺(tái)在絲桿的帶動(dòng)下上升至高出槽管的水平位置時(shí)，氣缸啟動(dòng)，推動(dòng)導(dǎo)向臺(tái)朝靠近槽管一側(cè)的方向傾斜，球體再次沿導(dǎo)向槽滑動(dòng)至對(duì)應(yīng)的槽管內(nèi)，且在球體下落至盒體內(nèi)時(shí)，槽管允許球體下落的一端被端蓋封閉，因此，在重復(fù)演示時(shí)球體回復(fù)至初始位置后能夠保持靜止，即完成球體的自動(dòng)復(fù)位。

二、自由落體實(shí)驗(yàn)用模擬結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

本實(shí)用新型高中物理自由落體實(shí)驗(yàn)用模擬結(jié)構(gòu)，盒體底部填充的橡膠體能夠?qū)ο侣涞那蝮w進(jìn)行一定緩沖，以免球體反彈過度，落入T型槽內(nèi)的球體會(huì)沿T型槽進(jìn)入到導(dǎo)向臺(tái)上的導(dǎo)向槽內(nèi)，支撐板與導(dǎo)向臺(tái)鉸接，且導(dǎo)向臺(tái)的一端與位于支撐板上的氣缸輸出端連接，而T型槽與導(dǎo)向槽均傾斜設(shè)置，且在球體移動(dòng)到導(dǎo)向槽的極限位置時(shí)便停止移動(dòng)，進(jìn)而保證導(dǎo)向臺(tái)以及球體的上升穩(wěn)定性，當(dāng)導(dǎo)向臺(tái)在絲桿的帶動(dòng)下上升至高出槽管的水平位置時(shí)，氣缸啟動(dòng)，推動(dòng)導(dǎo)向臺(tái)朝靠近槽管一側(cè)的方向傾斜，球體再次沿導(dǎo)向槽滑動(dòng)至對(duì)應(yīng)的槽管內(nèi)，且在球體下落至盒體內(nèi)時(shí)，槽管允許球體下落的一端被端蓋封閉。因此，在重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)球體回復(fù)至初始位置后能夠保持靜止，即完成球體的自動(dòng)復(fù)位。

本實(shí)用新型高中物理自由落體實(shí)驗(yàn)用模擬結(jié)構(gòu)，在T型槽內(nèi)設(shè)置彈簧，彈簧上設(shè)有緩沖板，且緩沖板與T型槽的水平段底部之間留有間隙，以供彈簧以及緩沖板發(fā)生位移時(shí)具備一定的位移空間，緩沖板正對(duì)球體的下落點(diǎn)位且其上表面向內(nèi)凹陷呈球面，即通過橡膠體以及彈簧的兩級(jí)緩沖，能夠快速將球體落地時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能和勢能消除，以方便球體順利沿T型槽進(jìn)入至導(dǎo)向槽內(nèi)，確保球體的回收動(dòng)作連續(xù)不間斷；

本實(shí)用新型高中物理自由落體實(shí)驗(yàn)用模擬結(jié)構(gòu)，初始狀態(tài)下，球體的重力對(duì)壓力傳感器Ⅰ形成擠壓，壓力傳感器Ⅰ將該壓力數(shù)據(jù)傳遞至控制器，且控制器自帶計(jì)時(shí)功能，球體下落后，壓力傳感器Ⅰ失去壓力后觸發(fā)控制器開始計(jì)時(shí)，而當(dāng)球體與緩沖板上的壓力傳感器Ⅱ接觸時(shí)，壓力傳感器Ⅱ受到擠壓并將檢測到的壓力數(shù)據(jù)傳送至控制器，且觸發(fā)控制器停止計(jì)時(shí)，最后，球體的下落時(shí)間在通過控制器處理后，直接顯示在數(shù)碼顯示器上，以供學(xué)生觀察計(jì)算；通過設(shè)置兩個(gè)壓力傳感器來替代現(xiàn)有的人工計(jì)時(shí)，得出的檢測數(shù)據(jù)更加真實(shí)準(zhǔn)確，能夠有效提高實(shí)驗(yàn)效果，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。

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