專利名稱：《運(yùn)動的合成與分解》演示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種供高中物理教材中《運(yùn)動的合成與分解》一節(jié)內(nèi)容進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)儀器。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是在光滑水平木板的一側(cè)固定一個豎直的小黑板作為背景黑板。在木板的左端放一個中心有孔的金屬小車，小車的上面焊接一根豎直的金屬桿。在小車的孔內(nèi)固定一個電磁鐵，電磁鐵的上面放一根下端用鐵片封閉的玻璃管，該玻璃管與小車上的金屬桿固定在一起。玻璃管里放入下表面帶有鐵片的紅蠟塊(以下簡稱紅蠟塊)，紅蠟塊的釋放時刻由電磁鐵控制。再在玻璃管里注入清水。然后再在玻璃管的上端某一位置放一個光電門，光電門是在一個塑料夾子的兩邊分別固定一個發(fā)光二極管和一個光電二極管。當(dāng)電磁鐵釋放紅蠟塊開始上升的同時，石英鐘開始走時，上升到光電門處時，紅蠟塊遮擋了發(fā)光管射向光電管的光線，通過光電門電路使石英鐘停止走時，從而解決了紅蠟塊的運(yùn)動過程的準(zhǔn)確計(jì)時問題。
在木板的右端水平固定一個同步電機(jī)，用尼龍線把同步電機(jī)的轉(zhuǎn)輪與木板左端的金屬小車相連，使同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)時帶動小車和小車上面的玻璃管水平勻速向右運(yùn)動，從而解決了玻璃管的水平勻速運(yùn)動問題。并且可通過上述光電門的電路來控制同步電機(jī)的停轉(zhuǎn)，達(dá)到紅蠟塊上升到上述位置的同時，使玻璃管停止水平勻速運(yùn)動的目的，這不僅解決了紅蠟塊的運(yùn)動過程的計(jì)時問題，玻璃管水平勻速運(yùn)動的問題，而且還能很容易的在背景黑板上描繪出紅蠟塊的運(yùn)動路線。
實(shí)驗(yàn)過程中的操作順序主要通過一個雙層鈕子開關(guān)。該開關(guān)使用了四組觸點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)開始，動觸點(diǎn)與第一組靜觸點(diǎn)接觸，電源只給電磁鐵電路供電，使電磁鐵吸引住紅蠟塊使其靜止在玻璃管的底端。當(dāng)鈕子開關(guān)的動觸點(diǎn)旋至第二組靜觸點(diǎn)時，斷開了電磁鐵電源的同時，電源只給光電門電路供電。此時觀察到的現(xiàn)象是紅蠟塊被釋放而勻速上升，石英鐘開始走時，當(dāng)紅蠟塊上升到光電門處時，光電門電路使石英鐘停止走時，這樣就測出了紅蠟塊上升過程中需要的時間。
當(dāng)鈕子開關(guān)的動觸點(diǎn)旋至第三組靜觸點(diǎn)時，電路又只給電磁鐵電路供電，再次使紅蠟塊靜止在玻璃管的底端，以備演示紅蠟塊“合運(yùn)動”的情景。這時再把鈕子開關(guān)的動觸點(diǎn)旋至第四組靜觸點(diǎn)時，斷開了電磁鐵電源的同時，電源又只給光電門電路、同步電機(jī)電路供電。此時觀察到的現(xiàn)象是紅蠟塊開始勻速上升、石英鐘開始走時、同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)并通過尼龍線牽引小車及玻璃管水平勻速向右運(yùn)動，當(dāng)紅蠟塊運(yùn)動到光電門處時，通過光電門電路使石英鐘停止走時，同步電機(jī)停轉(zhuǎn)。這樣不僅能測出紅蠟塊上升過程需要的時間，同時還能使玻璃管停止水平勻速運(yùn)動，而且還能很容易的描繪出紅蠟塊的運(yùn)動路線。
電磁鐵是通過把220V的交流電降壓，四個二極管橋式整流，電容濾波，三端穩(wěn)壓器7810穩(wěn)壓后進(jìn)行供電的。
光電門是在一個塑料夾子的兩邊分別固定一個發(fā)光二極管和一個光電二極管，當(dāng)紅蠟塊上升到它們之間時，它就遮擋了發(fā)光管射向光電二極管的光線，光電二極管的電阻隨之發(fā)生變化，于是使一個PNP型三極管導(dǎo)通，給一個單向晶閘管提供了觸發(fā)電流，單向晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后，電源就通過單向晶閘管給一個電磁繼電器的線圈提供電流而使其常閉觸點(diǎn)斷開。達(dá)到控制石英鐘走時和同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)問題。
本實(shí)用新型的有益效果是能準(zhǔn)確的對紅蠟塊運(yùn)動過程進(jìn)行計(jì)時，能使玻璃管水平的勻速運(yùn)動，還能從背景黑板上畫出紅蠟塊的運(yùn)動路線。從而很好的證明了分運(yùn)動與合運(yùn)動具有獨(dú)立性和等時性的結(jié)論，很直觀的得出了合運(yùn)動與分運(yùn)動的位移和速度均滿足平行四邊形的定則的結(jié)論。
圖2是光電控制電路。
圖3是功能轉(zhuǎn)換電路。
圖4是本實(shí)用新型的主視圖。圖中1.電磁鐵，2.電源指示燈，3.電源開關(guān)，4.小黑板，5.光電門，6.玻璃管，7.金屬桿，8.紅蠟塊，9.金屬小車，10.水平木板，11.金屬盒，12.石英鐘，13.同步電機(jī)，14.尼龍線，15.雙層鈕子開關(guān)，16.五號電池。
再找一根直徑約1.2cm、長約80cm的玻璃管(6)。然后剪一塊直徑比管稍大一點(diǎn)的圓鐵片，用AB膠把鐵片粘在玻璃管(6)的一端，由于鐵片導(dǎo)磁能力強(qiáng)，所以電磁鐵(1)能夠更好，更有效的控制紅蠟塊(8)的釋放。
本實(shí)用新型中的金屬小車(9)可用實(shí)驗(yàn)室里的金屬小車稍加改造。在小車(9)的上面鉆一直徑約1.2cm的小孔，里面待放電磁鐵(1)。電磁鐵(1)可從彩電上使用的交流自動關(guān)機(jī)開關(guān)(或直流電磁繼電器)上摘取，然后再把它放到小車(9)上面事先做好的圓孔中，并用AB膠固定。該電磁鐵(1)的電壓額定值為10v。目的是用來控制紅蠟塊(8)的上浮時刻。小孔旁邊焊接一豎直的金屬桿(7)，目的是用來固定玻璃管(6)。
在


圖1、圖3的電路原理圖中，當(dāng)雙層鈕子開關(guān)(15)旋到位置1時，220v的交流電通過12v的變壓器L2降壓，橋式整流，電容濾波后得到約18v左右的穩(wěn)恒直流電壓，再通過三端穩(wěn)壓器7810穩(wěn)壓后，就輸出10v電壓向電磁鐵(1)供電。
在圖2、圖3中。當(dāng)圖3中的雙層鈕子開關(guān)(15)旋到位置2時，斷開了電磁鐵(1)電路的電源。同時220v交流電經(jīng)過6v變壓器L1向圖2中的光電控制電路供電；還經(jīng)過繼電器J1向交流220V的繼電器J3供電，使繼電器J3開關(guān)閉合，石英鐘(12)用的電源五號電池(16)被接通而開始走時。光電門(5)電路得到的低壓交流電經(jīng)過橋式整流，電容濾波，就得到了10v左右的穩(wěn)恒直流電壓，該電壓就是光電門(5)電路的供電電源。10v電壓經(jīng)過光電管D1及電阻R1分壓后，為三極管A673基極提供偏置電壓，還經(jīng)過穩(wěn)壓管D3降壓給三極管A673發(fā)射極提供約4.3v的發(fā)射極電壓，當(dāng)發(fā)光管D5發(fā)出的光通過玻璃管(6)射向光電管D6頂端的窗口時，光電管D6的反向電阻急劇減小，僅幾百歐左右，而三極管A673的下偏置電阻較大，所以三極管A673基極電壓接近9v，而射極電壓是通過穩(wěn)壓管D3降壓后得到的，電壓僅4.3v左右，所以三極管A673發(fā)射結(jié)反偏截止，使射極暗電流降低到最低限度，這樣單向晶閘管BT169D無觸發(fā)電流而處于截止?fàn)顟B(tài)，電磁繼電器J1無電而處于常閉狀態(tài)。當(dāng)遮光時，發(fā)光管D5發(fā)出的光不能射入光電管D6的頂端窗口，從而使光電管D6中的反向電阻急劇增大到200k以上，這樣電源電壓通過光電管D6及下偏置電阻分壓后，基極電壓很低，在射極電壓4.3v以下，于是三極管A673發(fā)射結(jié)正偏導(dǎo)通，繼而使單向晶閘管BT169D觸發(fā)導(dǎo)通，繼電器J1線圈得電而使常閉開關(guān)斷開，繼電器J3失電開關(guān)斷開，石英鐘(12)失電停止走時。由于單向晶閘管BT169D具有自鎖功能，所以一旦晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，即使去掉遮光物體，有光線射入光電管D6的頂端窗口，仍不影響晶閘管及繼電器的工作狀態(tài)，繼電器J1仍處于斷開位置。
在圖3中，當(dāng)雙層鈕子開關(guān)(15)旋到位置3時，情況與旋到位置1時相同。
在圖3中，當(dāng)雙層鈕子開關(guān)(15)旋到位置4時，斷開電磁鐵(1)電源。同時電源向光電門(5)電路、電動機(jī)(電動機(jī)旋轉(zhuǎn)而使玻璃管(6)水平勻速運(yùn)動)、繼電器J2(J2開關(guān)閉合，繼而使J3開關(guān)閉合，石英鐘(12)開始走時)供電。通過上述分析知當(dāng)遮光時，繼電器J1線圈得電而使常閉開關(guān)斷開，接著繼電器J2、J3失電開關(guān)斷開，石英鐘(12)失電停止走時，同步電機(jī)失電停轉(zhuǎn)。
元件選取1、L1是6v變壓器 L2是12V變壓器2、D1～D4、D8～D11均為IN40073、單向晶閘管型號BT169D4、C1為330μf/35v、C2為100μf/25v5、電阻R1＝30k、R2＝2k、R3＝2k6、三極管型號A6737、穩(wěn)壓管D3值為5.7v8、J1為直流12v電磁繼電器、J2和J3均為交流220v的電磁繼電器9、D5是發(fā)光管、D6是光電管。
在圖4中，光滑水平木板(10)的一側(cè)固定一個豎直的小黑板(4)，在木板(10)的左端放上金屬小車(9)，小車(9)上面的金屬桿(7)上固定上玻璃管(6)，玻璃管(6)里放入紅蠟塊(8)，然后注入清水。再在玻璃管(6)的上端某位置夾上光電門(5)。木板(10)的右端水平固定一個轉(zhuǎn)速45轉(zhuǎn)/分鐘的同步電機(jī)，用尼龍線(14)把同步電機(jī)的轉(zhuǎn)輪與木板(10)左端的金屬小車(9)相連。
圖1、圖2、圖3的電路組裝起來放到金屬盒(11)里。
操作步驟和方法1、把雙層鈕子開關(guān)(15)旋到位置1，閉合電源開關(guān)(3)。電源指示燈(2)點(diǎn)亮，同時電源通過變壓器L2給電磁鐵(1)供電，此時把玻璃管(6)固定在小車(9)上，然后放入紅蠟塊(8)，并注入水，由于電磁鐵(1)的作用，紅蠟塊(8)停留在玻璃管(6)的底端，等待釋放。再把光電門(5)夾到玻璃管(6)的某一位置。
2、把雙層鈕子開關(guān)(15)由位置1旋到位置2，這樣斷開電磁鐵(1)電源的同時，電源通過變壓器L1向光控電路及交流220v的繼電器J3供電，而使繼電器J3開關(guān)閉合，由于繼電器J3的開關(guān)與石英鐘(12)用的五號電池(16)串聯(lián)。這樣我們看到的現(xiàn)象就是紅蠟塊(8)上浮的同時，光電門(5)中的發(fā)光二極管發(fā)光，石英鐘(12)開始走時，當(dāng)紅蠟塊(8)上浮到光電門(5)處時，光控電路動作，使繼電器J1開關(guān)斷開，繼而繼電器J3失電開關(guān)斷開，石英鐘(12)失電停轉(zhuǎn)，這樣就測出了紅蠟塊(8)從開始至上浮到光電門(5)處時用的時間，即分運(yùn)動的時間。
3、再把雙層鈕子開關(guān)(15)由位置2旋到位置3，同步驟1。
4、再把雙層鈕子開關(guān)(15)由位置3旋到位置4，這樣斷開電磁鐵(1)電源的同時，電源向光控電路、電動機(jī)、繼電器J2(使J2開關(guān)閉合，繼而使J3開關(guān)閉合)供電，這樣我們看到的現(xiàn)象是紅蠟塊(8)上浮的同時，石英鐘(12)開始走時，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)并通過尼龍線(14)牽引小車(9)及玻璃管(6)水平勻速運(yùn)動，當(dāng)紅蠟塊(8)上浮到光電門(5)處時，同步電機(jī)停轉(zhuǎn)，石英鐘(12)停止走時。這樣就測出了合運(yùn)動的時間。而且在小黑板(4)也很容易地描繪出紅蠟塊(8)運(yùn)動的路線。
權(quán)利要求1.一種《運(yùn)動的合成與分解》演示器，主要包括下表面帶有鐵片的紅蠟塊、一端用鐵片封閉的玻璃管、電磁鐵、小車、同步電機(jī)、光電門，其特征是紅蠟塊的下表面附有鐵片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的《運(yùn)動的合成與分解》演示器，其特征是玻璃管的一端用鐵片封閉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的《運(yùn)動的合成與分解》演示器，其特征是小車中心有孔，內(nèi)置一個電磁鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的《運(yùn)動的合成與分解》演示器，其特征是光電門是把一個發(fā)光管和一個光電管分別固定在塑料夾子的兩側(cè)并置于玻璃管上端某一位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的《運(yùn)動的合成與分解》演示器，其特征是同步電機(jī)水平固定在長木板的右端，并用尼龍線把同步電機(jī)的轉(zhuǎn)輪與左端的小車相連。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種供高中物理教材中《運(yùn)動的合成與分解》演示實(shí)驗(yàn)的儀器。解決了蠟燭塊運(yùn)動過程的計(jì)時問題和玻璃管的勻速運(yùn)動問題等。其主要特征是紅蠟塊的下表面附有鐵片，在電磁鐵控制和光電自動控制下，能夠控制蠟燭塊的釋放時刻，能夠測量蠟燭塊運(yùn)動時間，對講解合運(yùn)動和分運(yùn)動具有等時性和獨(dú)立性的問題提供了依據(jù)。同時教師在背景黑板上用粉筆畫出蠟燭塊的運(yùn)動位移，很直觀的得出合運(yùn)動和分運(yùn)動的位移和速度均滿足平行四邊形定則的結(jié)論。
文檔編號G09B23/10GK2534640SQ0126485
公開日2003年2月5日 申請日期2001年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月12日
發(fā)明者閻萬祥 申請人:閻萬祥