一種多功能物理演示裝置和方法與流程

本發明涉及物理教學用具技術領域，特別是一種多功能物理演示裝置和方法。

背景技術：

在物理學習過程中，大家都知道很多物理公式枯燥乏味，而且不便于記憶，從而大大降低了學生對物理的學習興趣，對于物理上能量守恒定律的講解過程中，由于能量是一個非常抽象的的概念，單純地講解顯得較為空泛，學生不能夠更深層次的掌握；只能對公式進行死記硬背，并沒有直觀的概念，這對學生在學習過程中來說是非常不利的。

因此，通過一些裝置來實現抽象的能量轉換為學生在學習過程中能夠直接觀察到的一些現象是非常重要的，不僅可以對學生學習提高深刻的認識，也為其以后的學習提供很好的示范效果。

但是現在的驗證能量守恒定律的裝置大都存在一定的缺陷，導致驗證過程中的誤差較大，不僅起不到很好的示范作用，有時候甚至可能誤導一部分學生的思維，大多的裝置進行驗證都是非真空狀態，這就導致在驗證過程中不可避免的受到空氣阻力的干擾，從而導致結果的誤差。

技術實現要素：

針對上述情況，為克服現有技術之缺陷，本發明提供了一種多功能物理演示裝置和方法，有效的解決了將抽象的能量具體化，減少空氣阻力干擾影響演示結果，通過能量驗證速度影響向心力的問題。

一種多功能物理演示裝置，其解決的技術方案包括殼體，其特征在于，所述的殼體的內部開有u型軌道，u型軌道的左側上部安裝有可上下移動的金屬球掉落裝置，u型軌道的右側上部設有與其連通的抽氣裝置；

所述的金屬球掉落裝置包括與u型軌道貫通的套筒，套筒的內部設有進球管，進球管的外側鉸接有在套筒內的卡鉗，卡鉗上端與進球管之間安裝有第一彈簧，卡鉗的下部放置有可隨卡鉗動作而掉落的金屬球。

優選的，所述的抽氣裝置包括與u型軌道連通的第一通氣管，第一通氣管與驅動裝置之間連接有自控裝置，所述的自控裝置包括與第一通氣管連通的第二通氣管，第二通氣管下部裝有活塞桿，活塞桿的下端連接推力彈簧，推力彈簧上部有固定在活塞桿側面的導電棒，導電棒通過導線連接至驅動裝置7。

優選的，所述的u型軌道的側面設有刻度，u型軌道的直段下端b、c兩點安裝有速度傳感器。

優選的，所述的套筒的外側設置有可以固定套筒位置的支架。

優選的，所述的u型軌道的槽底設有與其連通的且可拆卸的取球器，取球器的上端成與u型軌道圓弧形槽底相配合的圓弧形。

一種多功能物理演示的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、將整個裝置調至水平狀態，調整后，將金屬球通過進球管放入，使金屬球停留在卡鉗的下部，開動抽氣裝置，將u型軌道內空氣抽出，形成真空。

步驟二、上下調節套筒的位置，調整好后，將套筒通過支架固定，記錄此時金屬球所在的高度h,擠壓卡鉗上部，壓縮彈簧，使卡鉗下端瞬時松開，并在彈簧的作用下立即閉合，金屬球落下，做自由落體運動。

步驟三、金屬球落下后在u型軌道內運動，通過在u型軌道b點的速度傳感器記錄金屬球運動至此處的速度v，并記錄b點的高度h1，通過公式mg（h-h1）=?mv2,可以驗證重力勢能轉化為動能的過程。

步驟四、金屬球繼續沿u型軌道運動，當金屬球運動至右側c點時，通過速度傳感器記錄此時的速度v1,并記錄c點的高度h2；金屬球通過c點后會繼續向上運動，記錄金屬球運動到右端最高點時的高度h3,通過公式mg（h3-h2）=?m（v1）2可再次驗證動能轉化為重力勢能的過程。

步驟五、根據步驟三及步驟四中，金屬球在一次運動過程中的h1以及h3可得出，金屬球在u型軌道圓弧段因摩擦所損失的能量δw=mg（h1-h3）。

根據權利要求6所述的一種多功能物理演示的方法，其特征在于，可以通過調節金屬球每次從不同的高度h1落下，可以得出每次所損失的能量δw并不相同，通過公式δw=fs，f=μfn,fn=mv2/r,s=πr,可以得出δw=μπmv2，可以驗證通過圓弧段時摩擦力的大小與通過的速度有關。

本發明結構巧妙，有效的解決了將抽象的能量具體化，減少空氣阻力干擾影響演示結果，通過能量驗證速度影響向心力的問題。

附圖說明

圖1為本發明主視圖示意圖。

圖2為本發明金屬球掉落裝置示意圖。

圖3為本發明抽氣裝置示意圖。

具體實施方式

有關本發明的前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考附圖1至圖3對實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的結構內容，均是以說明書附圖為參考。

下面將參照附圖描述本發明的各示例性的實施例。

實施例一，一種多功能物理演示裝置，包括殼體1，其特征在于，所述的殼體1的內部開有u型軌道4，作為物理演示過程中所需運動的軌道，u型軌道4的左側上部安裝有可上下移動的金屬球掉落裝置5，可以控制金屬球10的掉落，u型軌道4的右側上部設有與其連通的抽氣裝置，抽出u型軌道4中的空氣，使u型軌道4內形成真空的演示環境；

所述的金屬球掉落裝置5包括與u型軌道4貫通且可以上下移動的套筒11，套筒11可上下移動進而來調節金屬球10掉落的起始高度，套筒11的內部設有進球管15，金屬球10通過進球管15進入卡鉗13下部，進球管15的外側鉸接有在套筒11內d的卡鉗13，卡鉗13通過上部的人工擠壓會使其下端松開，進而使放置在其下部的金屬球10掉落，落入u型軌道4進行演示所需的運動，卡鉗13上端與進球管15之間安裝有第一彈簧14，第一彈簧14處于松開狀態，卡鉗13下部處于閉合狀態，當人工擠壓時，第一彈簧14被壓縮，當松開時，第一彈簧14會恢復原狀，使卡鉗13下方保持閉合狀態，卡鉗13的下部放置有可隨卡鉗動作而掉落的金屬球10，金屬球可隨人工擠壓卡鉗13的動作而掉落，并可在u型軌道4內運動，作為演示的載體。

實施例二，在實施例一的基礎上，所述的抽氣裝置包括與u型軌道4連通的第一通氣管6，用來通過抽出的空氣，第一通氣管6與驅動裝置7之間連接有自控裝置8，用來隨時自動調控u型軌道4內的真空狀態，所述的自控裝置8包括與第一通氣管6連通的第二通氣管16，第二通氣管16下部裝有活塞桿17，活塞桿17的下端連接推力彈簧18，推力彈簧18上部有固定在活塞桿17側面的導電棒20，導電棒20通過導線連接至驅動裝置7，當u型軌道4內為真空狀態時，推力彈簧18和作用在活塞桿17上的大氣壓力保持平衡，推力彈簧18處于拉伸狀態，當u型軌道4內混入空氣時，活塞桿17會向下移動，連通驅動裝置進行抽氣操作，使u型軌道內保持真空狀態，保證實驗驗證的準確性。

實施例三，在實施例一的基礎上，所述的u型軌道4的側面設有刻度2，用來清晰明了的觀察并記錄金屬球的高度，u型軌道4的直段下端b、c兩點安裝有速度傳感器3，用來測量并記錄金屬球通過此處時的速度。

實施例四，在實施例一的基礎上，所述的套筒11的外側設置有可以固定套筒11位置的支架12，當套筒11運動到合適位置后，通過支架12卡緊在u型軌道4的兩側對套筒11進行固定。

實施例五，在實施例一的基礎上，所述的u型軌道4的槽底設有與其連通的且可拆卸的取球器9，當一次演示結束后，金屬球10會在自重作用下最終停留在u型軌道4的圓弧形槽底，取球器9可以通過旋擰取下，可將停留在槽底的金屬球10取出，進行循環操作，取球器9的上端成與u型軌道4圓弧形槽底相配合的圓弧形，二者緊密配合，可以起到很好的密封性和保證u型軌道的平整性。

本發明在具體使用時，首先將整個裝置調至水平狀態，調整后，將金屬球10通過進球管15放入，使金屬球10停留在卡鉗13的下部，開動抽氣裝置，將u型軌道4內空氣抽出，形成真空，通過上下調節套筒11的位置，使金屬球10從不同的高度掉落，記錄金屬球10的初始高度h,人工操作擠壓卡鉗13上部，壓縮第一彈簧14，使卡鉗13下端瞬時松開，并在第一彈簧14的作用下立即閉合，金屬球10落下，在u型軌道4內運動，當金屬球10運動到b點時，通過速度傳感器3記錄金屬球通過此點的速度v，并通過刻度2記錄b點的高度h1，通過公式mg（h-h1）=?mv2,可以驗證重力勢能轉化為動能的過程；

金屬球10繼續沿u型軌道4運動，通過u型軌道4圓弧段后，當金屬球10運動至右側c點時，通過速度傳感器3記錄此時的速度v1,并通過刻度2記錄c點的高度h2，金屬球10通過c點后會繼續向上運動，記錄金屬球10第一次運動到右端最高點時的高度h3,通過公式mg（h3-h2）=?mv12可再次驗證動能轉化為重力勢能的過程，在金屬球10在u型軌道4內運動的過程中，可以通過兩側直段的存在在金屬球10一次運動過程兩次驗證重力勢能與動能相互轉化的過程。

此外該裝置還可以驗證當金屬球10通過u型軌道4圓弧段時因摩擦所損失的能量與進入圓弧段時的速度有關系，也即驗證向心力的大小和速度有關系；由于金屬球10在直段下落過程中不受摩擦力的作用，所以所損失的能量都在圓弧段的摩擦作用下，可以通過調節金屬球10每次從不同的高度h1落下，可以得出每次所損失的能量δw并不相同，通過公式δw=fs，f=μfn,fn=mv2/r,可以得出δw=μsmv2/r,可以驗證通過圓弧段時摩擦力的大小與通過的速度有關，進而可以得出速度越大，向心力越大。

通過以上裝置，可以很好的使學生在學習過程中通過金屬球下落的高度、運動的速度等一些容易觀察的現象更形象的理解重力勢能和動能之間的相互轉化，并且可以通過運動過程中能量的損失，進而形象的理解向心力與速度之間的關系。

一種多功能物理演示的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、將整個裝置調至水平狀態，調整后，將金屬球通過進球管放入，使金屬球停留在卡鉗的下部，開動抽氣裝置，將u型軌道內空氣抽出，形成真空；

步驟二、上下調節套筒的位置，調整好后，將套筒通過支架固定，記錄此時金屬球所在的高度h,擠壓卡鉗上部，壓縮彈簧，使卡鉗下端瞬時松開，并在彈簧的作用下立即閉合，金屬球落下，做自由落體運動；

步驟三、金屬球落下后在u型軌道內運動，通過在u型軌道b點的速度傳感器記錄金屬球運動至此處的速度v，并記錄b點的高度h1，通過公式mg（h-h1）=?mv2,可以驗證重力勢能轉化為動能的過程；

步驟四、金屬球繼續沿u型軌道運動，當金屬球運動至右側c點時，通過速度傳感器記錄此時的速度v1,并記錄c點的高度h2；金屬球通過c點后會繼續向上運動，記錄金屬球運動到右端最高點時的高度h3,通過公式mg（h3-h2）=?m（v1）2可再次驗證動能轉化為重力勢能的過程；

步驟五、根據步驟三及步驟四中，金屬球在一次運動過程中的h1以及h3可得出，金屬球在u型軌道圓弧段因摩擦所損失的能量δw=mg（h1-h3）。

根據權利要求6所述的一種多功能物理演示的方法，其特征在于，可以通過調節金屬球每次從不同的高度h1落下，可以得出每次所損失的能量δw并不相同，通過公式δw=fs，f=μfn,fn=mv2/r,s=πr,可以得出δw=μπmv2，可以驗證通過圓弧段時摩擦力的大小只與通過的速度有關。

本發明結構巧妙，有效的解決了將抽象的能量具體化，減少空氣阻力干擾影響演示結果，通過能量驗證速度影響向心力的問題。