一种用于绘制运动轨迹的实验装置的制作方法

1.本发明涉及物理实验技术领域，特别涉及一种用于绘制运动轨迹的实验装置。


背景技术：

2.简谐运动和平抛运动是高中物理学习中很重要的两类运动，简谐运动和平抛运动的图像又是认识和学习简谐运动和平抛运动的第一步和关键所在。高中课本中提供的用数码相机和计算机绘制简谐运动和平抛运动的图像的方法操作不便，其它方法要么是难以实现，要么是误差过大，都不适合在课堂中做演示实验。
3.公开号为cn203838923u的中国实用新型专利公开了一种绘制简谐运动、阻尼振动和受迫振动图像的实验装置，该实验装置在绘制图像时需要借助墨粉纸，在卷纸过程中容易造成墨粉纸与白纸发生错位移动，影响绘图质量；而且打点频率不能调整，当运动物体速度较慢时，容易把点打得过密，这样则会将造成点与点之间有重叠，以致难以辨认区分。


技术实现要素：

4.本发明为解决上述技术问题提供一种用于绘制运动轨迹的实验装置，通过电火花直接在纸面得到绘制点，而且还能控制打点频率，提高图像绘制质量。
5.本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于绘制运动轨迹的实验装置，包括底板、电源、与电源串联的电火花打点机构和打点控制机构，所述打点控制机构包括第一固定引线、第二固定引线、设置于第一固定引线与第二固定引线之间的转动盘、设置在所述转动盘上的活动引线、驱动所述转动盘转动的电机以及用于控制电机转速的调速器，所述第一固定引线通过导线连接于电源，所述第二固定引线通过导线连接于电火花打点机构，所述活动引线的一端与第二固定引线活动连接，另一端通过转动盘转动间歇性靠近所述第一固定引线。
6.作为优选，所述活动引线与第一固定引线相邻两端的最小距离为2-10mm。
7.作为优选，所述转动盘的一侧设置有转速检测机构，所述转速检测机构包括设置在转动盘上的磁铁、固定设置在转动盘一侧的霍尔传感器以及与霍尔传感器电连接的转速显示屏。
8.作为优选，所述电源的输出电压为2-5万伏。
9.作为优选，所述电火花打点机构包括设置在底板上的支架、平铺在底板上的铝箔纸、悬置在铝箔纸上方的摆锤以及连接于支架顶部与摆锤之间的金属悬线，所述金属悬线通过导线连接于所述电源，所述铝箔纸通过导线连接于第二固定引线。
10.作为优选，所述摆锤的靠近所述铝箔纸的一端呈圆锥形结构。
11.作为优选，所述摆锤与所述铝箔纸之间的最小距离为1-2mm。
12.作为优选，所述底板上设置有送纸机构，所述送纸机构包括驱动辊、从动辊、压紧辊、压紧架和弹簧，所述驱动辊和从动辊分设在铝箔纸的两侧，所述压紧辊设置在所述驱动辊和从动辊的上方，所述压紧架固定在所述底板上，所述压紧辊的两端通过滑块安装在所
述压紧架上，所述弹簧连接在所述滑块与所述压紧架之间。
13.作为优选，所述电火花打点机构包括平行设置在底板上的两块支撑板、设置在两块所述支撑板相对面上的铝箔纸、固定在所述支撑板上端的平抛轨道以及沿所述平抛轨道进入两张所述铝箔纸之间的金属球，两张所述铝箔纸的间隙大于所述金属球的直径，两张所述铝箔纸分别通过导线与所述第二固定引线和电源连接。
14.作为优选，所述支撑板相对另一支撑板活动设置，用于调节两块所述支撑板的间距。
15.本发明的有益效果：
16.1、本发明通过高压电源产生的电火花直接纸面形成灼烧点，保证各点清晰、位置准确；
17.2、打点控制机构通过调整转动盘的转动速度来控制电源电路呈的导通频率，从而控制打点的频率，满足不同情况的需求，结构简单、操作简便。
附图说明
18.图1是本发明实施例1的结构示意图；
19.图2是本发明实施例1中打点控制机构的结构示意图；
20.图3是本发明实施例1中电火花打点机构的结构示意图；
21.图4是本发明实施例2中电火花打点机构的结构示意图；
22.图5是本发明实施例2中送纸机构的结构示意图；
23.图6是本发明实施例3中电火花打点机构的结构示意图；
24.图7是本发明实施例4中电火花打点机构的结构示意图；
25.图中：1-底板，2-电源，3-电火花打点机构，301-支架，302-铝箔纸，303-摆锤，304-金属悬线，305-送纸机构，3051-压紧架，3052-驱动辊，3053-从动辊，3054-压紧辊，3055-滑块，3056-弹簧，306-导向条，307-活动磁石块，308-支撑板，309-平抛轨道，310-金属球，4-打点控制机构，401-电机，402-转动盘，403-第一固定引线，404-第二固定引线，405-活动引线，5-调速器，6-转速显示屏，7-霍尔传感器，8-磁铁。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
27.本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后，可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
28.实施例1：
29.如图1、图2和图3所示，一种用于绘制运动轨迹的实验装置，在本实施例中该装置用于绘制单摆运动图像，该装置包括底板1、电源2、与电源2串联的电火花打点机构3和打点控制机构3。电火花打点机构3包括设置在底板1上的支架301、平铺在底板1上的铝箔纸302、悬置在铝箔纸302上方的摆锤303、连接于支架301顶部与摆锤303之间的金属悬线304，所述金属悬线304通过导线连接于电源的一个电极，铝箔纸302通过导线连接于打点控制机构3。
30.铝箔纸302为固定在底板1的板面上，底板1采用绝缘板，如绝缘塑料板或木板。摆
锤303采用导电的金属，在本实施例中摆锤303为铜锤，摆锤303的靠近铝箔纸302的一端呈圆锥形结构。摆锤303与铝箔纸302之间的最小距离为1-2mm，使得白纸能够通过摆锤303与铝箔纸302之间的间隙。金属悬线304采用铜丝，长度为30-100cm，在实际使用中尽量选取较长的长度，使得摆锤303在单摆过程中缩小摆锤303摆动至最高点和最低点时两者相对铝箔纸302的距离差，保证摆锤303在最高点时能够与铝箔纸302产生电火花。
31.电源2为高压直流电，电源2的输出电压为2-5万伏。在本实施例中，电源2采用220v交流电配合升压器，通过升压器将输出电压提高到2-5万伏的直流电。
32.打点控制机构4包括第一固定引线403、第二固定引线404、设置于第一固定引线403与第二固定引线404之间的转动盘402、设置在转动盘402上的活动引线405以及驱动转动盘402转动的电机401。电机401固定在底板1上方，并且电机401的转轴为竖直向上。
33.第一固定引线403和第二固定引线404分别连接于电源电路中的两条导线，即一条导线连接于第一固定引线403与高压电源2的一个电极，另一条导线连接于第二固定引线404与铝箔纸302，高压电源2的另一个电极则通过第三条导线连接于金属悬线304。第一固定引线403和第二固定引线404均为固定安装在底板1上方。
34.活动引线405固定在转动盘402的盘面上，并沿转动盘402的径向方向延伸。活动引线405的一端位于转动盘402的外圆外侧，另一侧穿过转动盘402至下方，使得活动引线405的一端与第二固定引线404活动连接。在本实施例中，电机401的转轴安装有导电环，活动引线405的端部与导电环连接，第二固定引线404的端部靠压在导电环上。活动引线405的另一端通过转动盘402转动间歇性靠近第一固定引线403，其中活动引线405与第一固定引线403相邻两端的最小距离为2-10mm，其中高压电源2的输出电压越大，活动引线405与第一固定引线403相邻两端能够以较大的距离导通。在本实施例中第一固定引线403、第二固定引线404和活动引线405均采用直径为2-10mm的铜丝。
35.打点控制机构4还包括用于控制电机401转速的调速器5，调速器5与电机401电连接，在本实施例中电机401采用直流电源供电，通过调速器5调节直流电源的电压大小来控制电机401的转速，调速器5采用常规的电位器。打点控制机构4通过控制电机401的转速来控制转动盘402的转速，控制了电源电路的导通频率，从而控制摆锤303与铝箔纸302产生电火花的频率，即控制了电火花打点频率。
36.转动盘402的一侧设置有转速检测机构，转速检测机构包括设置在转动盘402上的磁铁8、固定设置在转动盘402一侧的霍尔传感器7以及与霍尔传感器7电连接的转速显示屏6。当转动盘402转动一圈时磁铁8靠近霍尔传感器7，使霍尔传感器7产生一个脉冲信号，经过信号处理后输出到脉冲计数器，进行转速的测量。
37.在实验时，将白纸平铺在铝箔纸302上方，当高压电源2的开关开启后，随着转动盘402的转动，使得活动引线405间歇性靠近第一固定引线403，当两者靠近时，活动引线405与第一固定引线403产生高压电弧，使得整个电路导通。此时摆锤303发生单摆运动，位于摆锤303与铝箔纸302匀速移动，摆锤303与铝箔纸302产生的电火花白纸而留下痕迹，从而绘制出单摆运动的图像。
38.实施例2：
39.如图4和图5所示，与实施例1不同之处在于，底板1上设置有送纸机构305，送纸机构305包括驱动辊3052、从动辊3053、压紧辊3054、压紧架3051和弹簧3056，驱动辊3052和从
动辊3053分设在铝箔纸302的两侧，底板1上设置有安装槽，驱动辊3052和从动辊3053安装在安装槽内，并且驱动辊3052和从动辊3053的辊面略高于铝箔纸302的纸面。压紧辊3054设置在驱动辊3052和从动辊3053的上方，压紧架3051固定在底板1上，压紧辊3054的两端通过滑块3055安装在压紧架3051上，弹簧3056连接在所述滑块3055与压紧架3051之间。在实验过程中，驱动辊3052以设定的转速进行转动，从而带动白纸匀速移动。从动辊3053和上方的压紧辊3054用于绷直白纸，防止白纸移动过程中发生变形。
40.实施例3：
41.如图6所示，与实施例2不同之处在于，摆锤303的两侧安装有导向条306，两条导向条306之间形成供摆锤303摆动的导向槽。导向槽为弧形，与摆锤303的摆动路径相匹配。摆锤303的上端安装有活动磁石块307，活动磁石块307与摆锤303通过绝缘块隔绝。活动磁石块307的两个磁极分别朝向两条导向条306，两条导向条306分别安装有固定磁石块，固定磁石块沿摆锤303的摆动路径依次排布，并且固定磁石块与活动磁石块307的相邻两端的磁极相同，从而使固定磁石块的与活动磁石块307产生相斥，从两侧对活动磁石块307进行限制，保证摆锤303在铅直平面内摆动，提高简谐运动图像绘制的精确度。
42.实施例4：
43.与实施例1-3不同之处在于，在本实施例中该装置用于绘制平抛运动图像。
44.如图7所示，电火花打点机构3包括平行设置在底板1上的两块支撑板308、设置在两块支撑板308相对面上的铝箔纸302、固定在支撑板308上端的平抛轨道309以及沿平抛轨道309进入两张铝箔纸302之间的金属球310，两张铝箔纸302的间隙大于金属球310的直径。其中一张铝箔纸302通过导线与第二固定引线704连接，另一张铝箔纸302通过另一根导线与电源2的一个电极连接。其中两块支撑板308之间的间距可调，其中一块支撑板308固定在底板1上，另一块可移动地安装在底板1上，既方便安装白纸，有可以调节底板1上。在本实施例中底板1分为活动的两块，两块支撑板308分别固定在两块底板1上。
45.在实验开始前，先将白纸贴在其中一张铝箔纸302表面。当金属球310从平抛轨道309进入两张铝箔纸302之间时，整个装置电路通过转动盘402的转动完成间歇性导通，使得金属球310与铝箔纸302产生电火花，电火花灼烧白纸从而在表面留下金属球310平抛运动的轨迹。