本發(fā)明涉及物理實驗領域，具體涉及一種物理實驗演示裝置及方法。

背景技術：

目前，物理實驗大多需要教師來操作演示，演示受到操作環(huán)境的影響比較大，并且可復現(xiàn)性差，學生的體驗感差。在傳統(tǒng)的自由落體試驗中，通常是教師將不同質(zhì)量的小球從同一高度放下，小球同時落地則證明了物體下落的快慢與其本身的質(zhì)量無關，然而這種演示方式往往受限于空間，即在很短的下落距離就已經(jīng)完成，很難更加有效的展示出這一物理現(xiàn)象。

當年，伽利略為了驗證自由落體運動的速度是勻速變化的，物體下落的速度與物體的重量無關，物體下落的速度和時間成正比，下落的距離和時間的平方成正比這一物理現(xiàn)象，受限于當時的科技水平，只能在比薩鐵塔這樣具有一定高度的建筑物上完成。然而，目前隨著科技的進步，電子化的測量技術手段不斷發(fā)展，測量靈敏度和精度也不斷的提高，運用電子手段來實現(xiàn)自由落體的測量演示成為可能，但是目前大多的自由落體實驗裝置都采用教室操作的方式，僅僅是展示出這一現(xiàn)象，并沒有把學生的主動性調(diào)動起來，操作誤差大，自動化程度低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種能夠自動演示，直觀展示，并且提高了測量精度的物理實驗演示裝置及方法。

本發(fā)明提供了一種物理實驗演示裝置，包括底座以及設置于底座上的階梯型操作臺，其中階梯型操作臺從高至低依次設置第一、二、三、四臺階，第一臺階的臺階面設置于階梯型操作臺的后背板的后側(cè)向外延伸，第二、三、四臺階的臺階面設置于階梯型操作臺的后背板的前側(cè)，并且階梯型操作臺的后背板的部分作為第一臺階的臺階側(cè)面，第一、二、三、四臺階的臺階面分別與第一、二、三、四臺階的臺階側(cè)面構成對應的臺階；第一、二、三、四臺階的臺階側(cè)面具有不同的設置高度，分別記為S1，S2，S3和S4，并且S1，S2，S3和S4已知；

第一、二、三臺階的臺階側(cè)面的下端分別設置風扇，第一臺階的臺階面和臺階側(cè)面相交的部分設置擋板；

每一個臺階的臺階面和臺階側(cè)面的交匯處都對應設置有通過感測傳感器，以及分別在第二、三、四臺階面和底座上表面上設置的計時測量單元；計時測量單元包括計時器和測量單元，控制器接收到信號后控制對應的計時測量單元中的計時器啟動，計時器開始計時，當對應的測量單元測量到小球落到臺階面時，對應的計時器停止計時，將計時結(jié)果發(fā)送至控制器，控制器處理后將計時結(jié)果發(fā)送至顯示器進行顯示；

顯示器、通過感測傳感器、開始鍵、驅(qū)動單元、計時單元分別與控制器連接，驅(qū)動單元還分別連接風扇和擋板，用于控制風扇的功率和擋板的打開和閉合。

優(yōu)選地，第一臺階的臺階面為凹槽結(jié)構。

優(yōu)選地，第一、二、三、四臺階的臺階面具有一定的傾斜角度。

優(yōu)選地，通過感測傳感器為壓力傳感器。

本發(fā)明還提供了一種利用物理實驗演示裝置的重力加速度測量方法，依次包括如下步驟：

(1)將小球放置于第一臺階的臺面上，通過開始鍵發(fā)送開始命令至處理器，處理器接收到開始命令后，控制驅(qū)動單元同時將擋板和第一、二、三臺階對應的風扇打開；

(2)對應的通過感測傳感器和計時測量單元開始測量，并將測量結(jié)果發(fā)送至控制器；

(3)控制器接收到測量結(jié)果，經(jīng)過處理后分別獲得小球在第一、二、三、四臺階的臺階側(cè)面的下落時間T1，T2，T3，T4；

(3)利用第一、二、三、四臺階的臺階側(cè)面的高度值S1，S2，S3和S4，以及小球在第一、二、三、四臺階的臺階側(cè)面的下落時間T1，T2，T3，T4，通過如下公式分別計算得到每個下落時間對應的重力加速度值：g＝2S/t²，其中S為小球的下落高度，t為小球在對應下落高度的時間；

(4)分別將步驟(3)得到的4個重力加速度的計算值做平均后得到第一測量重力加速度；

(5)選擇不同質(zhì)量的小球，重復步驟(1)-(4)，得到第二測量重力加速度；

(6)將第一測量加速度和第二測量加速度的平均值作為最終測量的重力加速度。

本發(fā)明的物理實驗演示裝置及方法，可以實現(xiàn)：

1)自動的完整物理實驗演示，并且直觀的展示；

2)自動化的測量方式，使得整個過程不但自動化的完成，而且精確的實驗了測量，提高了因為人為操作等造成的誤差；

3)裝置結(jié)構簡單，操作方便。

附圖說明

圖1為物理實驗演示裝置結(jié)構示意圖；

圖2為物理實驗演示裝置電性連接結(jié)構示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明要解決的技術問題、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例進行詳細描述。

本發(fā)明提供了一種物理實驗演示裝置，如圖1所示，演示裝置包括底座1，以及設置于底座1上的階梯型操作臺2，其中階梯型操作臺2從高至低依次設置第一、二、三、四臺階，其中第一臺階的臺階面設置于階梯型操作臺2的后背板的后側(cè)向外延伸，并且第一臺階的臺階面具有一凹槽結(jié)構4，使得小球9放置時不會脫落；第二、三、四臺階的臺階面設置于階梯型操作臺2的后背板的前側(cè)，并且階梯型操作臺2的后背板的部分作為第一臺階的臺階側(cè)面，第一、二、三、四臺階的臺階面分別與第一、二、三、四臺階的臺階側(cè)面構成對應的臺階，并且第一、二、三、四臺階的臺階面具有一定的傾斜角度，為了避免實驗誤差，傾斜角度的設置要相對較小。第一、二、三、四臺階的臺階側(cè)面具有不同的設置高度，分別記為S1，S2，S3和S4，并且S1，S2，S3和S4已知。

本發(fā)明一個重要的設置就是在第一、二、三臺階的臺階側(cè)面的下端分別設置風扇3，這樣當小球9下落過程中，當下落到臺階表面由于水平方向的力不夠時，就可以通過控制風扇3的風力來在水平方向上給小球9施加力，但是同時不影響小球9在垂直方向上的下降速度，使得實驗可以自動的完整，不再需要人工干預。第一臺階的臺階面和臺階側(cè)面相交的部分設置擋板5，從而防止在實驗還沒有開始的時候，小球9自行下滑，那么當實驗開始的時候，只需要將小球放置于第一臺階的臺階面上，然后按下開始鍵10，就可以控制擋板5打開，小球9自行開始下落。

每一個臺階的臺階面和臺階側(cè)面的交匯處都對應設置有通過感測傳感器7，以及分別在第二、三、四臺階面和底座1上表面上設置的計時測量單元6，其中通過感測傳感器7可以為壓力傳感器，那么當小球經(jīng)過通過感測傳感器7時，通過感測傳感器7測量到壓力信號。計時測量單元6包括計時器和測量單元，控制器接收到信號后控制對應的計時測量單元6中的計時器啟動，計時器開始計時，當對應的測量單元測量到小球落到臺階面時，對應的計時器6停止計時，將計時結(jié)果發(fā)送至控制器，控制器處理后將計時結(jié)果發(fā)送至顯示器8進行顯示。

圖2是本發(fā)明的物理實驗演示裝置電連接示意圖，如圖2所示，顯示器、通過感測傳感器、開始鍵、驅(qū)動單元、計時單元分別與控制器連接，驅(qū)動單元還分別連接風扇和擋板，用于控制風扇的功率和擋板的打開和閉合。

本發(fā)明還提供了一種基于物理實驗演示裝置的重力加速度測量方法，依次包括如下步驟：

(1)將小球放置于第一臺階的臺面上，通過開始鍵發(fā)送開始命令至處理器，處理器接收到開始命令后，控制驅(qū)動單元同時將擋板和第一、二、三臺階對應的風扇打開；

(2)對應的通過感測傳感器和計時測量單元開始測量，并將測量結(jié)果發(fā)送至控制器；

(3)控制器接收到測量結(jié)果，經(jīng)過處理后分別獲得小球在第一、二、三、四臺階的臺階側(cè)面的下落時間T1，T2，T3，T4；

(3)利用第一、二、三、四臺階的臺階側(cè)面的高度值S1，S2，S3和S4，以及小球在第一、二、三、四臺階的臺階側(cè)面的下落時間T1，T2，T3，T4，通過如下公式分別計算得到每個下落時間對應的重力加速度值：g＝2S/t²，其中S為小球的下落高度，t為小球在對應下落高度的時間；

(4)分別將步驟(3)得到的4個重力加速度的計算值做平均后得到第一測量重力加速度；

(5)選擇不同質(zhì)量的小球，重復步驟(1)-(4)，得到第二測量重力加速度；

(6)將第一測量加速度和第二測量加速度的平均值作為最終測量的重力加速度。

這樣，不但可以通過比較不同小球的對應下落時間T1，T2，T3，T4，以及比較不同小球?qū)獪y量的重力加速度來證明自由落體過程中物體下落的速度與物體的重量無關這一物理現(xiàn)象，還可以通過電子化的測量手段完成重力加速度的計算，使得學生不但可以直觀的觀察，還可以動手計算驗證，增加了互動性。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。