高中物理自由落體實驗用模擬結構

楊曉桐

【摘 要】自由落體運動是自然界中一種常見的勻變速直線運動，是高中物理課程中的重要內容之一。本文提出一種自由落體實驗用模擬結構。

【關鍵詞】高中物理；自由落體實驗；模擬結構

在物理學習中，通過實驗的方式可以幫助學生更好地學習和理解物理知識，提高自己的物理成績。對高中學生來說，自由落體是物理學習中的重點，也是難點。自由落體實驗是一種有效的學習方法，在試驗測試中，需要使用相關的器材反映鐵球的下落，獲得真實的檢測數據，從而深入了解自由落體運動知識。現有的實驗在循環使用中存在不足，反復示范操作十分不方便。本次研究提供高中物理自由落體實驗用模擬結構，能夠使球體在實驗中自動復位，方便在操作中反復示范。

一、自由落體實驗用模擬結構實施方式

高中物理自由落體實驗用模擬結構，包括一端側壁開放的殼體，在所述殼體的頂部內壁上設置有多個軸線相互平行的槽管，在所述殼體的內側壁上設有導軌，導軌上開有凹槽，絲桿活動貫穿殼體頂部后向凹槽內延伸，在殼體底部內壁上設有上端開放的盒體，且盒體的開放端正對多個槽管的端部，在盒體的底部填充有橡膠體，橡膠體上開有多個與所述槽管相對應的T型槽，T型槽貫穿盒體側壁后與殼體內部連通，T型槽的槽深沿盒體水平指向導軌的方向遞增，在殼體內部還設有支撐板，在支撐板的一端設有突起，突起置于凹槽內，且突起上開有與絲桿相配合的螺孔；還包括呈三棱柱狀的導向臺，所述導向臺的一個棱角與所述支撐板的上表面鉸接，在支撐板的上表面設有氣缸，氣缸的輸出端與導向臺的一端底部鉸接，導向臺的另一端與多個T型槽對向設置，初始狀態下導向臺的上表面與水平面平行，且在導向臺的上表面上開有多個與T型槽對接的導向槽，且所述導向槽的槽深由T型槽水平指向導軌的方向遞增；實驗時，球體由槽管中向下做自由落體運動，落入T型槽內后進入至導向槽中，通過旋轉絲桿，導向臺上移，啟動氣缸，導向臺的一端被抬升且其另一端下降，球體由導向槽內重新進入至槽管內。

針對現有的自由落體運動試驗時，球體無法循環復位，影響實驗進度，申請人對現有的實驗儀器進行了改進，即利用多個槽管與盒體的對中，以及支撐板、導向臺、導軌的相互配合，使得不同質量的球體在進行實驗后，能夠快速實現球體的復位，只需控制球體下落，便可在盒體內真實反映出兩個或是多個球體同時落地的結果，符合現場實驗人員對試驗的需要，方便反復實驗觀察；具體使用時，在槽管的端部增加端蓋，以確保進行實驗的多個球體處于同樣的水平高度，同時取下多個端蓋，使得多個球體開始做自由落體運動，而盒體采用透明塑料制成，而盒體底部填充的橡膠體能夠對下落的球體進行一定緩沖，以免球體反彈過度，落入T型槽內的球體會沿T型槽進入到導向臺上的導向槽內，支撐板與導向臺鉸接，且導向臺的一端與位于支撐板上的氣缸輸出端連接，而T型槽與導向槽均傾斜設置，且在球體移動到導向槽的極限位置時便停止移動，進而保證導向臺以及球體的上升穩定性，當導向臺在絲桿的帶動下上升至高出槽管的水平位置時，氣缸啟動，推動導向臺朝靠近槽管一側的方向傾斜，球體再次沿導向槽滑動至對應的槽管內，且在球體下落至盒體內時，槽管允許球體下落的一端被端蓋封閉，因此，在重復演示時球體回復至初始位置后能夠保持靜止，即完成球體的自動復位。

二、自由落體實驗用模擬結構的優勢

本實用新型高中物理自由落體實驗用模擬結構，盒體底部填充的橡膠體能夠對下落的球體進行一定緩沖，以免球體反彈過度，落入T型槽內的球體會沿T型槽進入到導向臺上的導向槽內，支撐板與導向臺鉸接，且導向臺的一端與位于支撐板上的氣缸輸出端連接，而T型槽與導向槽均傾斜設置，且在球體移動到導向槽的極限位置時便停止移動，進而保證導向臺以及球體的上升穩定性，當導向臺在絲桿的帶動下上升至高出槽管的水平位置時，氣缸啟動，推動導向臺朝靠近槽管一側的方向傾斜，球體再次沿導向槽滑動至對應的槽管內，且在球體下落至盒體內時，槽管允許球體下落的一端被端蓋封閉。因此，在重復實驗時球體回復至初始位置后能夠保持靜止，即完成球體的自動復位。

本實用新型高中物理自由落體實驗用模擬結構，在T型槽內設置彈簧，彈簧上設有緩沖板，且緩沖板與T型槽的水平段底部之間留有間隙，以供彈簧以及緩沖板發生位移時具備一定的位移空間，緩沖板正對球體的下落點位且其上表面向內凹陷呈球面，即通過橡膠體以及彈簧的兩級緩沖，能夠快速將球體落地時產生的動能和勢能消除，以方便球體順利沿T型槽進入至導向槽內，確保球體的回收動作連續不間斷；

本實用新型高中物理自由落體實驗用模擬結構，初始狀態下，球體的重力對壓力傳感器Ⅰ形成擠壓，壓力傳感器Ⅰ將該壓力數據傳遞至控制器，且控制器自帶計時功能，球體下落后，壓力傳感器Ⅰ失去壓力后觸發控制器開始計時，而當球體與緩沖板上的壓力傳感器Ⅱ接觸時，壓力傳感器Ⅱ受到擠壓并將檢測到的壓力數據傳送至控制器，且觸發控制器停止計時，最后，球體的下落時間在通過控制器處理后，直接顯示在數碼顯示器上，以供學生觀察計算；通過設置兩個壓力傳感器來替代現有的人工計時，得出的檢測數據更加真實準確，能夠有效提高實驗效果，幫助學生學習。

參考文獻：

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