巧用減速電機自制多功能力學演示實驗裝置

李燕冰

(江蘇省蘇州市立達中學校,江蘇 蘇州 215000)

蘇科版初中物理教材第八章和第十一章的三個重點實驗中都需要拉著物體做勻速直線運動，如果徒手操作,實驗效果不佳。為了提高物理實驗教學的有效性,筆者設計、制作了一套多功能力學演示實驗器材，可用于“探究影響滑動摩擦力大小的因素”“(利用斜面)測量提升物體所做的功”和“探究動滑輪和定滑輪特點”的實驗教學。在教學過程中,牽引器勻速拉動物體,與教材實驗操作的要求相符,同時測力計的刻度通過攝像頭輸出到電腦,提高了實驗的可視度,學生對實驗現象的觀察直觀、理解深刻。

1 器材特點及制作材料

1.1 功能特點

本教具利用減速電機、直流可調速控制器和電源制成“牽引器”,通過巧妙的構思和設計,解決了“需要勻速拉動”的實驗難題,同時利用攝像頭投屏，提高了實驗的可視度,探究過程方便、科學、有趣。本器材具有集成度高、功能多、結構簡單、成本低、易于制作等特點。

1.2 制作材料

減速電機、直流電源、可無級調速雙向正反轉直流控制器、聯軸器、傳動軸、帶軸承絲桿支撐座、木板、木塊、鉤碼、彈簧測力計、抽屜滑軌、撐桿、鐵架臺、滑輪、水平儀、數顯量角器、強磁鐵鉤、玻璃板、攝像頭、一字型激光頭和3D打印機等。

2 實驗裝置的制作

2.1 制作多功能工作臺

(1) 如圖1所示,用木板制作開口木盒，盒內一端安裝直流電源和直流調速器，木盒內側安裝抽屜滑軌,滑軌上安裝木制鐵架臺底座。

圖1

(2) 如圖2(a)所示，制作一塊蓋板，蓋板用合頁安裝在木盒電源的頂部。

如圖2(b)所示，在木盒兩側安裝鋁合金撐桿,便于調整、固定蓋板的傾斜角度。木盒兩端的側面分別安裝三個高度可調節的支撐腳,以便調節三個位置的高度使得工作臺面水平。

如圖2(c)所示，在木盒側面與合頁同軸位置安裝數顯量角器,用于測量斜面傾角,在安裝開關電源一端的側面開一孔,以安裝直流控制器的調速旋鈕和變向開關,再用有機玻璃板封口。

圖2

2.2 制作牽引器

(1) 如圖3所示,在木箱蓋板上遠離合頁的一端安裝電機支架,將減速電機固定在支架上,用聯軸器將電機輸出軸與鋼軸相連,鋼軸的另一端用帶軸承絲桿支撐座固定。在鋼軸上均勻纏繞棉線,在棉線的自由端系上掛鉤。

圖3

(2) 如圖4所示，將電動機與開關電源、可無級調速雙向正反轉直流控制器串聯。通過切換控制器上的三檔船型開關調節電動機旋轉方向,通過旋轉控制器上的旋鈕，調節電動機的轉速。

圖4

2.3 制作彈簧測力計支架、小車和木塊

(1) 如圖5所示,在距木板左側55 mm處的中間位置用電鉆打孔,安裝加長螺母,將攝像頭的鋁合金軟管安裝在螺母上。木板兩側各安裝一對橡膠輪。在長螺母右邊安裝兩塊弧形木板,將彈簧測力計卡在弧形木板之間。將攝像頭連接電腦后,可通過顯示屏實時顯示彈簧測力計的讀數。

圖5

(2) 如圖6所示,在木塊左側貼上薄鐵片,將一強磁掛鉤吸在鐵片上。木塊頂部的四個凹坑中各安裝一個強磁鐵。

圖6

2.4 制作測力計激光指示盒和鉤碼形激光指示器

(1) 如圖7所示，測力計激光指示盒是用3D打印制作的帶蓋方盒。盒內安裝一字型激光頭和船型開關,用CR2032紐扣電池供電。將方盒貼在測力計右側,激光頭安裝方向與彈簧測力計刻度板垂直并射向彈簧測力計后方。在彈簧測力計左側貼一金屬盒,內裝適量鋼珠作為配重,使彈簧測力計懸掛后能保持在豎直方向上。

圖7

(2) 用3D打印制作帶蓋圓盒,盒內安裝一字型激光頭、船型開關,用CR2032紐扣電池供電。將激光頭平行于盒底安裝,在盒兩側打眼,用鋼絲制作掛桿,用棉線制作掛線。盒子上下貼有配重,使激光指示器的質量為50 g(與一只鉤碼的質量相等),且要保證圓盒懸掛后激光能水平射出。

3 使用方法

3.1 探究影響滑動摩擦力大小的因素

(1) 實驗裝置如圖8所示，調節三只支撐腳,使工作臺面水平。將牽引器掛鉤與固定于小車上的彈簧測力計吊環相連,將木塊上的強磁鉤與彈簧測力計秤鉤相連。

圖8

(2) 將強磁鉤吸在木塊側面的鐵片上,調節強磁鉤的位置,保證在實驗過程中拉力始終與工作臺面平行。

(3) 啟動“牽引器”,使減速電機勻速拉動木塊。攝像頭將彈簧測力計示數同步輸出到電腦顯示屏上。

(4) 調節電動機的轉速,即可改變物體的運動速度,探究滑動摩擦力的大小與物體的運動速度的關系。

(5) 改變木塊的放置方式,即可改變木塊與工作臺面的接觸面積,探究滑動摩擦力的大小與接觸面積的關系。為了保證實驗過程中拉力與工作臺面平行,必須調節強磁鉤在木塊上的吸附位置。

(6) 探究滑動摩擦力的大小與壓力大小的關系時,可在木塊上面放置不同數目的鉤碼，來改變木塊對工作臺面的壓力大小。木塊頂部四個凹坑中各安裝有強磁鐵,可避免實驗中因鉤碼晃動造成彈簧測力計示數不穩定。

3.2 利用斜面測量提升物體所做的功

(1) 實驗裝置如圖9所示，抬起工作臺面一端,用可伸縮撐桿固定工作臺面,數顯量角器同步顯示臺面的傾角。

圖9

(2) 啟動牽引器,使減速電機勻速拉動木塊。攝像頭將彈簧測力計示數同步輸出到電腦顯示屏上。

(3) 改變工作臺的傾角,可探究斜面的機械效率與傾角的關系,實驗中的最大傾角可達到80°。

(4) 在木塊頂部四個凹坑中放入不同數目的鉤碼,可探究斜面的機械效率與物重的關系，木塊凹坑中的強磁鐵可避免實驗過程中鉤碼的晃動或掉落。

3.3 探究定滑輪和動滑輪工作時的特點

(1) 在探究定滑輪工作時的特點時,放平工作臺面,各套件組裝方式如圖10所示。調節鐵架臺下的底座位置,使拉力保持為豎直方向。激光指示器發射的一字型激光投射到班級白板上,方便記錄鉤碼和測力計的初始位置。可移動鐵架臺下的滑軌,即可探究使用定滑輪時拉力大小與拉力方向的關系。

圖10

(2) 在探究動滑輪工作時的特點時,抬起工作臺并固定,各套件組裝方式如圖11所示,調節鐵架臺下底座位置,使拉力沿豎直方向，探究使用動滑輪時拉力大小與拉力方向的關系的方法與步驟(1)相同。

圖11

4 結語

本套實驗器材主要用于解決三個重點實驗中“勻速拉動”問題，經過教學中多次使用,表明很適合課堂演示，同時它還可用于以下實驗教學:探究勻速直線運動的規律、測量木塊與各接觸面間最大靜摩擦力、探究影響滑輪組機械效率的因素、探究影響斜面機械效率的因素等。運用本實驗器材能夠激發學生的學習興趣,提高學生學習物理的熱情。