本發(fā)明涉及物理教學(xué)用具技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種多功能物理演示裝置和方法。

背景技術(shù)：

在物理學(xué)習(xí)過(guò)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(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)于物理上能量守恒定律的講解過(guò)程中，由于能量是一個(gè)非常抽象的的概念，單純地講解顯得較為空泛，學(xué)生不能夠更深層次的掌握；只能對(duì)公式進(jìn)行死記硬背，并沒(méi)有直觀的概念，這對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中來(lái)說(shuō)是非常不利的。

因此，通過(guò)一些裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)抽象的能量轉(zhuǎn)換為學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠直接觀察到的一些現(xiàn)象是非常重要的，不僅可以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)提高深刻的認(rèn)識(shí)，也為其以后的學(xué)習(xí)提供很好的示范效果。

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

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)之缺陷，本發(fā)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(jié)果，通過(guò)能量驗(yàn)證速度影響向心力的問(wèn)題。

一種多功能物理演示裝置，其解決的技術(shù)方案包括殼體，其特征在于，所述的殼體的內(nèi)部開(kāi)有u型軌道，u型軌道的左側(cè)上部安裝有可上下移動(dòng)的金屬球掉落裝置，u型軌道的右側(cè)上部設(shè)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(nèi)部設(shè)有進(jìn)球管，進(jìn)球管的外側(cè)鉸接有在套筒內(nèi)的卡鉗，卡鉗上端與進(jìn)球管之間安裝有第一彈簧，卡鉗的下部放置有可隨卡鉗動(dòng)作而掉落的金屬球。

優(yōu)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(qū)動(dòng)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(cè)面的導(dǎo)電棒，導(dǎo)電棒通過(guò)導(dǎo)線連接至驅(qū)動(dòng)裝置7。

優(yōu)選的，所述的u型軌道的側(cè)面設(shè)有刻度，u型軌道的直段下端b、c兩點(diǎn)安裝有速度傳感器。

優(yōu)選的，所述的套筒的外側(cè)設(shè)置有可以固定套筒位置的支架。

優(yōu)選的，所述的u型軌道的槽底設(shè)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(gè)裝置調(diào)至水平狀態(tài)，調(diào)整后，將金屬球通過(guò)進(jìn)球管放入，使金屬球停留在卡鉗的下部，開(kāi)動(dòng)抽氣裝置，將u型軌道內(nèi)空氣抽出，形成真空。

步驟二、上下調(diào)節(jié)套筒的位置，調(diào)整好后，將套筒通過(guò)支架固定，記錄此時(shí)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(shí)松開(kāi)，并在彈簧的作用下立即閉合，金屬球落下，做自由落體運(yùn)動(dòng)。

步驟三、金屬球落下后在u型軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)在u型軌道b點(diǎn)的速度傳感器記錄金屬球運(yùn)動(dòng)至此處的速度v，并記錄b點(diǎn)的高度h1，通過(guò)公式mg（h-h1）=?mv2,可以驗(yàn)證重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程。

步驟四、金屬球繼續(xù)沿u型軌道運(yùn)動(dòng)，當(dāng)金屬球運(yùn)動(dòng)至右側(cè)c點(diǎn)時(shí)，通過(guò)速度傳感器記錄此時(shí)的速度v1,并記錄c點(diǎn)的高度h2；金屬球通過(guò)c點(diǎn)后會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，記錄金屬球運(yùn)動(dòng)到右端最高點(diǎn)時(shí)的高度h3,通過(guò)公式mg（h3-h2）=?m（v1）2可再次驗(yàn)證動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能的過(guò)程。

步驟五、根據(jù)步驟三及步驟四中，金屬球在一次運(yùn)動(dòng)過(guò)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(jù)權(quán)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(guò)調(diào)節(jié)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(guò)公式δw=fs，f=μfn,fn=mv2/r,s=πr,可以得出δw=μπmv2，可以驗(yàn)證通過(guò)圓弧段時(shí)摩擦力的大小與通過(guò)的速度有關(guān)。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)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(jié)果，通過(guò)能量驗(yàn)證速度影響向心力的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明主視圖示意圖。

圖2為本發(fā)明金屬球掉落裝置示意圖。

圖3為本發(fā)明抽氣裝置示意圖。

具體實(shí)施方式

有關(guān)本發(fā)明的前述及其他技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)與功效，在以下配合參考附圖1至圖3對(duì)實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明中，將可清楚的呈現(xiàn)。以下實(shí)施例中所提到的結(jié)構(gòu)內(nèi)容，均是以說(shuō)明書附圖為參考。

下面將參照附圖描述本發(fā)明的各示例性的實(shí)施例。

實(shí)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(nèi)部開(kāi)有u型軌道4，作為物理演示過(guò)程中所需運(yùn)動(dòng)的軌道，u型軌道4的左側(cè)上部安裝有可上下移動(dòng)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(cè)上部設(shè)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(nèi)形成真空的演示環(huán)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(dòng)的套筒11，套筒11可上下移動(dòng)進(jìn)而來(lái)調(diào)節(jié)金屬球10掉落的起始高度，套筒11的內(nèi)部設(shè)有進(jìn)球管15，金屬球10通過(guò)進(jìn)球管15進(jìn)入卡鉗13下部，進(jìn)球管15的外側(cè)鉸接有在套筒11內(nèi)d的卡鉗13，卡鉗13通過(guò)上部的人工擠壓會(huì)使其下端松開(kāi)，進(jìn)而使放置在其下部的金屬球10掉落，落入u型軌道4進(jìn)行演示所需的運(yùn)動(dòng)，卡鉗13上端與進(jìn)球管15之間安裝有第一彈簧14，第一彈簧14處于松開(kāi)狀態(tài)，卡鉗13下部處于閉合狀態(tài)，當(dāng)人工擠壓時(shí)，第一彈簧14被壓縮，當(dāng)松開(kāi)時(shí)，第一彈簧14會(huì)恢復(fù)原狀，使卡鉗13下方保持閉合狀態(tài)，卡鉗13的下部放置有可隨卡鉗動(dòng)作而掉落的金屬球10，金屬球可隨人工擠壓卡鉗13的動(dòng)作而掉落，并可在u型軌道4內(nèi)運(yùn)動(dòng)，作為演示的載體。

實(shí)施例二，在實(shí)施例一的基礎(chǔ)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(lái)通過(guò)抽出的空氣，第一通氣管6與驅(qū)動(dòng)裝置7之間連接有自控裝置8，用來(lái)隨時(shí)自動(dòng)調(diào)控u型軌道4內(nèi)的真空狀態(tài)，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(cè)面的導(dǎo)電棒20，導(dǎo)電棒20通過(guò)導(dǎo)線連接至驅(qū)動(dòng)裝置7，當(dāng)u型軌道4內(nèi)為真空狀態(tài)時(shí)，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(tài)，當(dāng)u型軌道4內(nèi)混入空氣時(shí)，活塞桿17會(huì)向下移動(dòng)，連通驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行抽氣操作，使u型軌道內(nèi)保持真空狀態(tài)，保證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的準(zhǔn)確性。

實(shí)施例三，在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，所述的u型軌道4的側(cè)面設(shè)有刻度2，用來(lái)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(diǎn)安裝有速度傳感器3，用來(lái)測(cè)量并記錄金屬球通過(guò)此處時(shí)的速度。

實(shí)施例四，在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，所述的套筒11的外側(cè)設(shè)置有可以固定套筒11位置的支架12，當(dāng)套筒11運(yùn)動(dòng)到合適位置后，通過(guò)支架12卡緊在u型軌道4的兩側(cè)對(duì)套筒11進(jìn)行固定。

實(shí)施例五，在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，所述的u型軌道4的槽底設(shè)有與其連通的且可拆卸的取球器9，當(dāng)一次演示結(jié)束后，金屬球10會(huì)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(guò)旋擰取下，可將停留在槽底的金屬球10取出，進(jìn)行循環(huán)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(fā)明在具體使用時(shí)，首先將整個(gè)裝置調(diào)至水平狀態(tài)，調(diào)整后，將金屬球10通過(guò)進(jìn)球管15放入，使金屬球10停留在卡鉗13的下部，開(kāi)動(dòng)抽氣裝置，將u型軌道4內(nèi)空氣抽出，形成真空，通過(guò)上下調(diào)節(jié)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(shí)松開(kāi)，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(nèi)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)金屬球10運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)時(shí)，通過(guò)速度傳感器3記錄金屬球通過(guò)此點(diǎn)的速度v，并通過(guò)刻度2記錄b點(diǎn)的高度h1，通過(guò)公式mg（h-h1）=?mv2,可以驗(yàn)證重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程；

金屬球10繼續(xù)沿u型軌道4運(yùn)動(dòng)，通過(guò)u型軌道4圓弧段后，當(dāng)金屬球10運(yùn)動(dòng)至右側(cè)c點(diǎn)時(shí)，通過(guò)速度傳感器3記錄此時(shí)的速度v1,并通過(guò)刻度2記錄c點(diǎn)的高度h2，金屬球10通過(guò)c點(diǎn)后會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，記錄金屬球10第一次運(yùn)動(dòng)到右端最高點(diǎn)時(shí)的高度h3,通過(guò)公式mg（h3-h2）=?mv12可再次驗(yàn)證動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能的過(guò)程，在金屬球10在u型軌道4內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，可以通過(guò)兩側(cè)直段的存在在金屬球10一次運(yùn)動(dòng)過(guò)程兩次驗(yàn)證重力勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程。

此外該裝置還可以驗(yàn)證當(dāng)金屬球10通過(guò)u型軌道4圓弧段時(shí)因摩擦所損失的能量與進(jìn)入圓弧段時(shí)的速度有關(guān)系，也即驗(yàn)證向心力的大小和速度有關(guān)系；由于金屬球10在直段下落過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)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(guò)公式δw=fs，f=μfn,fn=mv2/r,可以得出δw=μsmv2/r,可以驗(yàn)證通過(guò)圓弧段時(shí)摩擦力的大小與通過(guò)的速度有關(guān)，進(jìn)而可以得出速度越大，向心力越大。

通過(guò)以上裝置，可以很好的使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中通過(guò)金屬球下落的高度、運(yùn)動(dòng)的速度等一些容易觀察的現(xiàn)象更形象的理解重力勢(shì)能和動(dòng)能之間的相互轉(zhuǎn)化，并且可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量的損失，進(jìn)而形象的理解向心力與速度之間的關(guān)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(gè)裝置調(diào)至水平狀態(tài)，調(diào)整后，將金屬球通過(guò)進(jìn)球管放入，使金屬球停留在卡鉗的下部，開(kāi)動(dòng)抽氣裝置，將u型軌道內(nèi)空氣抽出，形成真空；

步驟二、上下調(diào)節(jié)套筒的位置，調(diào)整好后，將套筒通過(guò)支架固定，記錄此時(shí)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(shí)松開(kāi)，并在彈簧的作用下立即閉合，金屬球落下，做自由落體運(yùn)動(dòng)；

步驟三、金屬球落下后在u型軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)在u型軌道b點(diǎn)的速度傳感器記錄金屬球運(yùn)動(dòng)至此處的速度v，并記錄b點(diǎn)的高度h1，通過(guò)公式mg（h-h1）=?mv2,可以驗(yàn)證重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程；

步驟四、金屬球繼續(xù)沿u型軌道運(yùn)動(dòng)，當(dāng)金屬球運(yùn)動(dòng)至右側(cè)c點(diǎn)時(shí)，通過(guò)速度傳感器記錄此時(shí)的速度v1,并記錄c點(diǎn)的高度h2；金屬球通過(guò)c點(diǎn)后會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，記錄金屬球運(yùn)動(dòng)到右端最高點(diǎn)時(shí)的高度h3,通過(guò)公式mg（h3-h2）=?m（v1）2可再次驗(yàn)證動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能的過(guò)程；

步驟五、根據(jù)步驟三及步驟四中，金屬球在一次運(yùn)動(dòng)過(guò)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(jù)權(quán)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(guò)調(diào)節(jié)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(guò)公式δw=fs，f=μfn,fn=mv2/r,s=πr,可以得出δw=μπmv2，可以驗(yàn)證通過(guò)圓弧段時(shí)摩擦力的大小只與通過(guò)的速度有關(guān)。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)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(jié)果，通過(guò)能量驗(yàn)證速度影響向心力的問(wèn)題。