專利名稱：二維時(shí)空描跡儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種二維時(shí)空描跡儀，屬于高中物理教學(xué)儀器。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種二維時(shí)空描跡儀，包括一個(gè)具有正面板工作面的便攜式箱體；一個(gè)箱體前蓋板，一個(gè)電火花描跡電源，能夠產(chǎn)生一種或多種固定頻率的單向高壓微小電流脈沖；一個(gè)具有電極的運(yùn)動(dòng)體，與上述電火花電源電連接；附著于箱體正面板工作面上的墨粉紙和白紙，當(dāng)所述運(yùn)動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其上的電極會(huì)在所述箱體前蓋板及正面板平行電極板之間發(fā)生放電，通過(guò)墨粉紙并在白紙上留下痕跡，其中箱體前蓋板采用導(dǎo)電玻璃。
較優(yōu)的方案中運(yùn)動(dòng)體加裝了滾動(dòng)裝置。
較優(yōu)的方案中運(yùn)動(dòng)體帶有自動(dòng)彈出電極。
較優(yōu)的方案中便攜式箱體為座種式。
較優(yōu)的方案中增加自動(dòng)輸出白紙的卷紙機(jī)，并置于箱體底座盒體內(nèi)。
較優(yōu)的方案中還設(shè)有長(zhǎng)軌道和短軌道的兩個(gè)彈簧槍，所述運(yùn)動(dòng)體能夠分別在長(zhǎng)軌道和短軌道的兩個(gè)彈簧槍的作用下，做無(wú)自轉(zhuǎn)的拋體運(yùn)動(dòng)，并增加一個(gè)帶導(dǎo)向裝置。
較優(yōu)的方案中所述運(yùn)動(dòng)體能在向心力作用下繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其上放電針構(gòu)成了電極。較優(yōu)的方案中所述運(yùn)動(dòng)體為一種外絕緣內(nèi)金屬桿擺，其上的擺放電針構(gòu)成了電極。
較優(yōu)的方案中所述運(yùn)動(dòng)體為墜體，在重力作用下放電針在箱體正面板與前蓋板平行電極板之間發(fā)生放電。
較優(yōu)的方案中箱體前蓋板采用鋼化單面導(dǎo)電玻璃作電極，厚度L≥4mm，電阻≤30歐/cm2以內(nèi)導(dǎo)電層周邊用軟、硬雙層低電阻率金屬箔，導(dǎo)電膠鑲嵌，外加絕緣塑膠包邊。
較優(yōu)的方案中機(jī)頂上部設(shè)有氣泡水平儀，在彈簧槍的活動(dòng)槍桿上設(shè)有刻度尺，在斜拋裝槍耳上設(shè)有角度尺，在機(jī)頂桿擺電連接接頭上增加了防觸電蓋。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)它有一個(gè)座鐘式箱體，結(jié)構(gòu)重心穩(wěn)，還有彈簧槍，多種不同質(zhì)量、構(gòu)造、用途的拋體、墜體、向心力轉(zhuǎn)動(dòng)體，桿擺、卷紙機(jī)等部件，可做多種力學(xué)實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)，箱體前蓋板為導(dǎo)電玻璃，與箱體豎直工作面，水平工作面或水平放置工作面，形成精度很高的平行板電極，并利用電火花描跡電源，施加單向高壓脈沖，產(chǎn)生電火花放電，在二維時(shí)空中描繪各種運(yùn)動(dòng)的軌跡，并記錄在平面紙上，本儀器描跡圖點(diǎn)與點(diǎn)之間，點(diǎn)跡大小清晰均勻，落位準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)精度高。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊奏，操作筒便，安全，性能價(jià)格比高，節(jié)省教學(xué)時(shí)間。
(16)頻率調(diào)節(jié)(21)點(diǎn)開(kāi)開(kāi)關(guān)(17)指示燈 (22)桿擺電連接接頭(18)點(diǎn)跡調(diào)節(jié)(23)氣泡水平儀(19)卷紙機(jī)上滾筒(24)高壓插座(20)卷紙機(jī)電源描跡電源開(kāi)關(guān) (25)高壓插頭B、主機(jī)底座盒體仰視圖(26)電火花描跡電源 (27)卷紙機(jī)電源(28)卷紙機(jī)下滾筒(29)卷紙機(jī)變速箱(30)操作控制板 (31)電源線入孔(32)電源總開(kāi)關(guān) (33)高電包圖三 A、主機(jī)前蓋板結(jié)構(gòu)圖B、主機(jī)后蓋板圖圖四 彈簧發(fā)射槍A、彈簧槍結(jié)構(gòu)圖(34)軌道(35)緊固螺孔(36)發(fā)射槍桿(37)彈簧(38)槍膛B、長(zhǎng)軌道彈簧槍(39)長(zhǎng)軌道C、短軌道彈簧槍(40)螺桿(41)蝶形螺母D、活動(dòng)位移槍桿(42)刻度尺 (43)槍桿掛鉤(44)鐵心(電磁鐵)(45)線圈(46)彈簧槍電插頭E、游尺圖五 運(yùn)動(dòng)體A、銅質(zhì)，作平拋用(47)滾輪(48)放電針B、銅質(zhì) 作彈性碰撞用(49)彈簧C、作非彈性碰撞用
D、作非彈性碰撞用(50)導(dǎo)向套E、作彈性碰撞用(51)自動(dòng)彈出放電針圖六 向心力轉(zhuǎn)動(dòng)體(52)細(xì)長(zhǎng)橫軸 (57)平面軸承(53)轉(zhuǎn)動(dòng)平衡滾子 (58)滾子滾珠(54)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸 (59)放電針(55)轉(zhuǎn)動(dòng)橫軸滾子(56)彈簧圖七 桿擺(60)擺錘 (63)電接頭螺釘(61)放電針 (64)調(diào)節(jié)平衡螺釘(62)擺桿 (65)杠桿圖八 墜體(66)墜體吸頭(鐵質(zhì)) (67)墜體主體(銅質(zhì))(68)放電針圖九 主機(jī)內(nèi)包裝泡沫盒圖十 平拋操作圖圖十一 斜拋操作圖圖十二 非彈性碰撞操作圖圖十三 彈性碰撞操作圖圖十四 向心力操作圖圖十五 自由落體操作圖圖十六 簡(jiǎn)諧振動(dòng)實(shí)驗(yàn)操作圖圖十七 桿擺實(shí)驗(yàn)操作圖圖十八 沖擊擺實(shí)驗(yàn)操作圖下面結(jié)合實(shí)施例和
詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型
本實(shí)用新型的前蓋板9采用鋼化單面導(dǎo)電玻璃作電極前蓋板，厚度L≥4mm，電阻≤30歐/cm2以內(nèi)導(dǎo)電層周邊用軟、硬雙層低電阻率金屬箔，導(dǎo)電膠鑲嵌，外加絕緣塑膠包邊。這樣就完全能使正面板10與前蓋板9之間形成一個(gè)精度很高的平行板電極，運(yùn)動(dòng)體的放電針在其間運(yùn)動(dòng)時(shí)與兩平行電極板距離均等，使描跡圖點(diǎn)點(diǎn)之間，點(diǎn)跡大小清晰均勻，落位準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)精度高；實(shí)驗(yàn)操作時(shí)聲，相并茂，尚心悅目，既提高了性能，又改進(jìn)了外觀。
本實(shí)用新型對(duì)已有技術(shù)的部分改進(jìn)總體方案有兩個(gè)。第一方案是增加了一支長(zhǎng)式軌道彈簧槍，增加了兩個(gè)特殊構(gòu)造的拋體，增加了一個(gè)自動(dòng)卷紙機(jī)，增加了一個(gè)墜體。第二方案是改造改進(jìn)將所有五個(gè)拋體由原來(lái)在彈簧槍作用下的軌道“滑行”改造成軌道“滾行”，將向心力固定轉(zhuǎn)軸軸套13加裝了平面軸承14，將細(xì)長(zhǎng)橫軸上的“滑塊”滑動(dòng)，改成“滾珠”滾動(dòng)。
本實(shí)用新型改進(jìn)之一是研究碰撞實(shí)驗(yàn)。碰撞實(shí)驗(yàn)包括完全非彈性碰撞和彈性碰撞兩種，主要是用以驗(yàn)證動(dòng)能守恒定律。目前國(guó)內(nèi)使用的二維空間一時(shí)間描跡儀對(duì)此兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別作了表述，其最大弱點(diǎn)有二；一是在理論上沒(méi)有考慮到彈簧槍所使用的彈簧作拋體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力時(shí)由于彈簧自身的不穩(wěn)定性加上其在伸縮過(guò)程中受到槍膛(圖四A)內(nèi)壁，槍桿外壁的摩擦力影響，這個(gè)“拋體動(dòng)力”就是一個(gè)“變量”，每一次發(fā)射，嚴(yán)格地說(shuō)其“動(dòng)力”是不同的。二是在實(shí)踐上沒(méi)有解決拋體自轉(zhuǎn)滾動(dòng)動(dòng)能對(duì)平動(dòng)動(dòng)能的影響。
完全非彈性碰撞，按照已有技術(shù)，非彈性碰撞實(shí)驗(yàn)分兩次動(dòng)作描跡，得出碰前和碰后兩張描跡圖，盡管它強(qiáng)調(diào)了兩次動(dòng)作槍桿位移保持不變，但因上述所分析到的彈簧槍多次發(fā)射的“動(dòng)力”是個(gè)“變量”，這必然引起此實(shí)驗(yàn)的兩次描跡圖是不科學(xué)的，其所測(cè)數(shù)據(jù)是無(wú)法用來(lái)準(zhǔn)確驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的。說(shuō)具體一點(diǎn)，就是在不進(jìn)行“碰撞”的情況下，槍桿位移在同一位置等同條件下作前后兩次平拋描跡，其前后兩次描跡點(diǎn)也不可能重合，這就是“彈簧作動(dòng)力”“變量”的影響，更何況在第二次發(fā)射時(shí)，描跡圖是在發(fā)生了碰撞這一狀態(tài)下所產(chǎn)生的，因此前后兩次發(fā)射所得的兩張描跡圖是不能相提并論的，就是沒(méi)有統(tǒng)一性。其所得數(shù)據(jù)也就失去了可利用計(jì)算的意義。其次，從實(shí)踐上看，盡管已有描跡儀強(qiáng)調(diào)了在被碰撞運(yùn)動(dòng)體上粘上橡皮泥，以防其在空間運(yùn)動(dòng)中自轉(zhuǎn)產(chǎn)生滾動(dòng)動(dòng)能對(duì)平動(dòng)動(dòng)能的影響，但事實(shí)上這種做法是無(wú)法解決這一關(guān)鍵性問(wèn)題的，實(shí)踐的結(jié)果是主動(dòng)體與被動(dòng)體碰撞這一瞬間運(yùn)動(dòng)體沒(méi)能成為一個(gè)系統(tǒng)在空間運(yùn)動(dòng)，而是主動(dòng)體的放電針?biāo)布锤淖兞伺c兩平行電極板的垂直狀態(tài)，使描跡失敗。碰撞后的描跡圖是得不到的。
本實(shí)用新型采取增加一支長(zhǎng)軌道簧槍，增加一個(gè)帶導(dǎo)向帶滾動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)體見(jiàn)儀器布置圖十二，把滾動(dòng)主動(dòng)體放在彈簧槍發(fā)射桿頂端，把帶導(dǎo)向帶滾動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)體放在長(zhǎng)軌道槍右端軌道右端點(diǎn)里10mm處，調(diào)節(jié)活動(dòng)槍桿位移，使其在12mm處，并檢查調(diào)整好主動(dòng)體放電針與兩平行電極板間的距離，約2mm，同步發(fā)射描跡見(jiàn)圖十二右。從效果圖上可知圖的左邊部分點(diǎn)稀且少，圖的右邊點(diǎn)蜜且多，很明顯左邊是碰前描跡，右邊是碰后描跡。一張描跡圖，即一次發(fā)射，記錄了碰前和碰后兩個(gè)運(yùn)動(dòng)體所組成的系統(tǒng)的時(shí)空信息。從根本上解決了彈簧槍兩次發(fā)射“動(dòng)力變量”這一關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)橛袑?dǎo)向裝置，使兩運(yùn)動(dòng)體碰撞一瞬即導(dǎo)向粘連成了一個(gè)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)體放電針依然保持碰前與兩平行電極板的垂直狀態(tài)，也從根本上解決了滾動(dòng)動(dòng)能對(duì)平動(dòng)動(dòng)能的影響，使這一實(shí)驗(yàn)完成得科學(xué)順利，計(jì)算精度大大提高。
彈性碰撞本實(shí)用新型是這樣完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)的，見(jiàn)儀器布置圖十三。把帶有彈簧的銅質(zhì)主動(dòng)體放在發(fā)射槍桿頂端，把裝有自動(dòng)彈出放電針被動(dòng)體放在長(zhǎng)軌道槍軌道39右端邊緣，此時(shí)被動(dòng)體放電針設(shè)置在被動(dòng)體內(nèi)，檢查調(diào)整主動(dòng)體放電針與兩平行電極板間的距離，約2mm，同步發(fā)射描跡，得到了一張完整的描跡圖，從效果圖上可知，圖的左端點(diǎn)稀且少，這是主動(dòng)體碰前描跡，圖的右端點(diǎn)更稀且多，這是碰后，被動(dòng)體在碰撞一瞬自動(dòng)彈出放電針在主動(dòng)體所傳遞的速度下描跡，同時(shí)主動(dòng)體碰撞到被動(dòng)體一瞬時(shí)速度即刻減小，成一個(gè)迅速拋落體，描跡圖的下方就是主動(dòng)體碰撞后成拋體的描跡。這樣在一張描跡圖上，即一次發(fā)射，就記錄了此實(shí)驗(yàn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)體的彈性碰撞的時(shí)空運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)驗(yàn)方便，所測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確?？傊?，整個(gè)碰撞實(shí)驗(yàn)，包括非完全彈性和彈性兩種，從根本上克服了彈簧自身的不穩(wěn)定性和其工作時(shí)所受到的摩擦力等“變量”影響。相對(duì)來(lái)說(shuō)比較科學(xué)的解決了高中物理碰撞實(shí)驗(yàn)這一課題實(shí)驗(yàn)。
本實(shí)用新型改進(jìn)之二是研究振動(dòng)圖像。以往實(shí)驗(yàn)當(dāng)接通描跡電源后，用手迅速拉出白紙條，教材也是要求紙帶運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是勻速的，但實(shí)踐上學(xué)生一手要控制描跡電源開(kāi)關(guān)，一手要?jiǎng)蛩倮黾垪l，其動(dòng)作是難以協(xié)調(diào)的，特別是用手“勻速”拉出白紙條是不現(xiàn)實(shí)的，即使是兩個(gè)學(xué)生協(xié)同操作，要達(dá)到“勻速”拉動(dòng)白紙條也是不可能的，更何況描跡和出紙條也難以達(dá)到同步。
本實(shí)用新型的儀器布置圖十六，采取了增加電動(dòng)自動(dòng)卷紙機(jī)，方法是利用兒童玩具電機(jī)從兩方面去更改。一是利用電子原件拼裝一個(gè)卷紙機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電源，把兒童電機(jī)用干電池作電源改成與用交流電作電源并與電火花描跡電源同步。成為玩具卷紙機(jī)電源。二是利用機(jī)械齒輪變速，把一種高速的每分鐘數(shù)千上萬(wàn)轉(zhuǎn)的電機(jī)通過(guò)各種齒輪組成一個(gè)齒輪變速箱，把轉(zhuǎn)速降到80轉(zhuǎn)分鐘。卷紙機(jī)的下滾筒通過(guò)變速齒輪箱與卷紙機(jī)電源連接并全部置于底座盒體1內(nèi)卷紙機(jī)的上滾筒19，即從動(dòng)滾筒，置于底座盒體1上，掛好桿搖，調(diào)節(jié)桿擺下端放電針與弧形電極板的距離。整個(gè)桿擺與正面板平行，見(jiàn)圖儀器布置圖十六。將350mm×130mm的白紙從主機(jī)后蓋板缺口處放進(jìn)去，穿過(guò)主機(jī)正面板下并從弧形電極板上擺錘放電針下過(guò)到卷紙機(jī)上滾筒處19，用上滾筒19借助小彈簧之力把紙夾到卷紙機(jī)上下滾筒之間，打開(kāi)描跡、卷紙機(jī)電開(kāi)關(guān)，白紙勻速移動(dòng)，描跡火花出現(xiàn)。待白紙全部出完后再關(guān)閉開(kāi)關(guān)。一張振動(dòng)圖象的正弦曲線圖清晰可見(jiàn)。操作簡(jiǎn)單、方便，因卷紙機(jī)置于底座盒體內(nèi)，也給整機(jī)增加了美感。
本實(shí)用新型改進(jìn)之三是研究物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。見(jiàn)儀器布置圖十四，是在固定轉(zhuǎn)軸軸套里13和固定轉(zhuǎn)軸的主軸上，增加了平面軸承57，使轉(zhuǎn)動(dòng)體實(shí)驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活平穩(wěn)。同時(shí)又將細(xì)長(zhǎng)橫軸52上的圓柱體“滑塊”改成“滾子”(圖六)使實(shí)驗(yàn)時(shí)減少了摩擦力對(duì)向心力的影響，提高了描跡圖的質(zhì)量(圖十四左上、右下)和計(jì)算精度。
本實(shí)用新型增加了一項(xiàng)研究自由落體運(yùn)動(dòng)，儀器布置圖十五。將發(fā)射槍活動(dòng)槍桿36擰開(kāi)蝶形螺母41從彈簧槍上卸下，放在箱體頂板上，固定于后蓋板立柱上電磁鐵的電源插頭線插于箱體左側(cè)板的小孔插座內(nèi)12，打開(kāi)插座電接開(kāi)關(guān)11將350mm×100mm的描跡記錄紙豎平放貼于正面板上，并用兩磁條將紙平整地吸壓貼牢，實(shí)驗(yàn)時(shí)將落體墜子吸于電磁鐵下方，蓋上前蓋板檢查調(diào)整墜子上放電針與兩平行電極板間距離，確定頻率點(diǎn)跡，點(diǎn)開(kāi)描跡電源開(kāi)關(guān)20，墜子垂直落下，瞬即關(guān)閉開(kāi)關(guān)描跡圖同步得到。
本實(shí)用新型還在機(jī)頂上部增加了氣泡水平儀23，取消了用垂線調(diào)水平的原始做法，在彈簧槍的活動(dòng)槍桿36上增加了刻度尺42，在斜拋裝槍耳上增加了角度尺7，在機(jī)頂桿擺電連接接頭上(圖一A)增加了防觸電蓋等，這些改進(jìn)都可使實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，能迅速把握水平調(diào)機(jī)，迅速把握彈簧槍的位移、角度、既方便，又安全、使整個(gè)儀器的整體質(zhì)量水平有了一個(gè)較大的提高。
權(quán)利要求1.一種二維時(shí)空描跡儀，包括一個(gè)具有正面板工作面的便攜式箱體；一個(gè)箱體前蓋板，一個(gè)電火花描跡電源，一個(gè)具有電極的運(yùn)動(dòng)體，電火花電源電連接；附著于箱體正面板工作面上的墨粉紙和白紙，其特征在于箱體前蓋板采用導(dǎo)電玻璃，運(yùn)動(dòng)體加裝了滾動(dòng)裝置。
2.如權(quán)利要求1所述二維時(shí)空描跡儀，其特征在于運(yùn)動(dòng)體帶有自動(dòng)彈出電極。
3.如權(quán)利要求1或2所述二維時(shí)空描跡儀，其特征在于便攜式箱體為座種式。
4.如權(quán)利要求1或2所述二維時(shí)空描跡儀，其特征在于增加自動(dòng)輸出白紙的卷紙機(jī)，并置于箱體底座盒體內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1或2所述二維時(shí)空描跡儀，其特征在于還設(shè)有長(zhǎng)軌道和短軌道的兩個(gè)彈簧槍，運(yùn)動(dòng)體增加一個(gè)帶導(dǎo)向裝置。
6.如權(quán)利要求1或2所述二維時(shí)空描跡儀，其特征在于運(yùn)動(dòng)體在向心力作用下繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其上放電針構(gòu)成了電極。
7.如權(quán)利要求1或2所述二維時(shí)空描跡儀，其特征在于運(yùn)動(dòng)體為一種外絕緣內(nèi)金屬桿擺，其上的擺放電針構(gòu)成了電極。
8.如權(quán)利要求1所述二維時(shí)空描跡儀，其特征在于所述運(yùn)動(dòng)體為墜體。
9.如權(quán)利要求1或2所述二維時(shí)空描跡儀，其特征在于箱體前蓋板采用鋼化單面導(dǎo)電玻璃作電極，厚度L≥4mm，電阻≤30歐/cm2以內(nèi)導(dǎo)電層周邊為軟、硬雙層低電阻率金屬箔，導(dǎo)電膠鑲嵌，外加絕緣塑膠包邊；機(jī)頂上部設(shè)有氣泡水平儀，在彈簧槍的活動(dòng)槍桿上設(shè)有刻度尺，在斜拋裝槍耳上設(shè)有角度尺，在機(jī)頂桿擺電連接接頭上增加了防觸電蓋。
專利摘要一種二維時(shí)空描跡儀，屬于高中物理實(shí)驗(yàn)儀器。它有一個(gè)座鐘式箱體，結(jié)構(gòu)重心穩(wěn)，還有彈簧槍，多種不同質(zhì)量、構(gòu)造、用途的拋體、墜體、向心力轉(zhuǎn)動(dòng)體，桿擺、卷紙機(jī)等部件，可做多種力學(xué)實(shí)驗(yàn)，箱體前蓋板為導(dǎo)電玻璃，與箱體豎直工作面，水平工作面或水平放置工作面，形成精度很高的平行板電極，并利用電火花描跡電源，施加單向高壓脈沖，產(chǎn)生電火花放電，在二維時(shí)空中描繪各種運(yùn)動(dòng)的軌跡，并記錄在平面紙上，本儀器描跡圖點(diǎn)與點(diǎn)之間，點(diǎn)跡大小清晰均勻，落位準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)精度高。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊奏，操作簡(jiǎn)便，安全，性能價(jià)格比高，節(jié)省教學(xué)時(shí)間。
文檔編號(hào)G09B23/00GK2593292SQ0228012
公開(kāi)日2003年12月17日 申請(qǐng)日期2002年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月28日
發(fā)明者黎璟云, 黎凡 申請(qǐng)人:黎凡