專利名稱：二維空間－時間描跡儀的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種二維空間——時間描跡儀，屬于高中物理教學實驗儀器。它是在一個便攜式框體內，利用框體中的豎直工作面、水平工作面或水平放置時的工作面，利用本實用新型的電火花描跡電源、彈簧槍、運動體、向心力轉動體、桿擺、墨粉紙等，分別在做無自轉運動的運動體所在的兩平行導電板間，或做曲線運動的運動體與導電板之間，施加單向高電壓脈沖，產生一種或多種確定頻率的微小電流的電火花放電，利用墨粉紙的轉印作用，在普通白紙上留下物體運動的二維空間—時間信息的點跡，供教學實驗研究學習使用。
目前國內外力學教學實驗中物體在二維空間中的運動難于留下準確的時間信息，而且其二維空間點跡也欠完整、準確。例如目前廣泛使用的平拋運動實驗器(參見國家教育委員會教學儀器研究所主編，中學物理實驗叢書《高中物理學生實驗》，人民教育出版社，1994年第1版，以下同)，利用接球檔板或者接球卡片，一次只能得到一個點跡，沒有時間信息，教學實驗時間長，誤差大，成為教學中的難點。又如中學研究彈性碰撞實驗使用的碰撞實驗器，入射球碰撞位于支球柱上的靶球，通過測量碰撞前后各球落在地面上的水平距離來驗證動量守恒定律，沒有運動中的點跡及其空間——時間信息，而且儀器結構也存在不少問題，特別是存在轉動動能對平動動能的影響問題，因而一直成為教學中的難點。又如驗證向心力公式的實驗，目前有多種結構形式的向心力實驗器，均是利用轉動體作多圈勻速圓周運動的時間計算出平均轉動角速度，不能留下運動軌跡的空間——時間信息，實驗誤差大，操作困難，一直成為教學中的難點。又如用沖擊擺測彈丸的速度實驗，目前有懸線式和擺桿式兩種結構的沖擊擺，都是靠找出擺上升的最大角度及有關的其他數據計算得出的，沒有留下運動軌跡的空間——時間信息，實驗誤差大，操作困難，儀器易損壞，成了教學中的難點。又如研究簡諧運動的位移規律的實驗，雖然可用我們轉讓的由西安教學儀器廠生產的“電火花描跡儀”和“描跡電源”做實驗，但該套儀器比較復雜，操作也比較困難，電源使用時也不安全，不適于中學學生實驗。
本實用新型的目的是制做出一套二維空間——時間描跡儀，它能使運動體在豎直或水平面內運動的同時產生一種或多種確定頻率的電火花放電點跡，利用墨粉紙的轉印作用，在普通白紙上留下物體運動的二維空間——時間信息點跡，可用來完成研究平拋物體的運動、研究彈性碰撞和塑性碰撞、研究斜拋物體的運動、驗證向心力公式、用沖擊擺測彈丸的速度、擺的振動圖象實驗、研究簡諧運動的位移規律等教學實驗。本套儀器結構緊湊，操作簡便，性能價格比高，實驗精度高，節省教學時間，有利于提高教學質量，能代替平拋運動實驗器、碰撞實驗器、向心力實驗器、沖擊擺等教學儀器。下面敘述它的一個實施例。


圖1A是本實用新型的儀器框體豎直剖面的右視圖。
圖1B是本實用新型的儀器框體的正視圖。
圖2是儀器框體取下后蓋板時的后視圖，運輸和貯存時儀器的主要部件均定位在此背面上。
圖3是本實用新型的3個運動體的視圖。
圖4是本實用新型的彈簧槍的視圖。
圖5是本實用新型的向心力轉動體的視圖。
圖6是本實用新型的金屬桿擺的視圖。
圖7至
圖13分別是本實用新型的應用實例，其中圖7是研究平拋物體的運動實驗裝置圖。
圖8是研究斜拋物體的運動實驗裝置圖。
圖9是研究碰撞實驗。
圖10是用沖擊擺測彈丸的速度實驗。
圖11是研究物體做圓周運動的向心力實驗。
圖12是研究物體振動圖象的實驗。
圖13是研究擺的振動方程的實驗。
本實用新型由三個方案組成，方案之一是在兩個導電的平行平板之間施加一確定頻率的單向高電壓脈沖，讓帶有放電針的運動體在平行平板之間做無轉動的拋體運動，運動體上的放電針與導電平板之間產生高壓脈沖火花放電，在緊貼于導電平板的記錄紙上留下物體運動的二維空間和時間信息的點跡圖象。方案之二是在繞固定軸轉動的物體與一個導電平板之間施加一確定頻率的單向高電壓脈沖，轉動體上的放電針與導電平板之間產生高壓脈沖火花放電，在緊貼于導電平板的記錄紙上留下轉動體運動的二維空間和時間信息的點跡圖象。方案之三是在懸掛的金屬桿擺與豎直或水平的導電平板之間施加一確定頻率的高電壓脈沖，擺錘運動時，一側或底部的放電針與導電平板之間產生高壓脈沖火花放電，在緊貼于導電平板的記錄紙上留下擺錘運動的二維空間和時間信息的點跡圖象。
本實用新型的裝置是由一個便攜式框體結構、電火花描跡電源、運動體、彈簧槍、向心力轉動體、金屬桿擺、墨粉紙等主要部件組成。便攜式框體結構見
圖1A、
圖1B、圖2所示，它由絕緣底座(1)、固定在絕緣底座上的正面板(6)和絕緣頂板(16)及前槽條(2)、插在前槽條中的前蓋板(3)、可卸下的絕緣后蓋板(14)、重垂線(17)、底腳螺釘(19)、活動提手(15)等組成。正面板(6)由金屬面板(8)和絕緣襯板(9)復合而成。前蓋板(3)由透明絕緣面板(4)和金屬絲網(5)復合而成，依靠它上端內側的定位磁片(10)與正面板上的定位桿磁片(11)實現定位。從圖2可看到正面板的背面絕緣襯板上定位放置的儀器部件電火花描跡電源(30)、運動體(22)、彈簧槍(27)、向心力轉動體(25)、擺桿(26)、擺錘(24)、前裙板(29)等。
本實用新型的電火花描跡電源(30)是一種單向高壓脈沖小功率電源，它可以是我們原來的專利號為90214962.8“電火花計時器”，也可以是它的改進型。
本實用新型的幾個質量不同的運動體(22)，詳見圖3，圖3中(a)、(b)、(c)分別為輕、次重、重運動體，(c)的一端固定一彈簧。本實用新型的特征在于每個運動體下面均為槽形或人字形光滑平面，能在彈簧槍導軌上滑動，被彈簧槍射出后能在與正面板(6)平行的平面內作無旋轉的平動，每個運動體的一側有一固定放電針(32)，另一側有一長度可調的放電針(31)，運動體兩側板均采用絕緣材料。
本實用新型的彈簧槍(27)的結構見圖4所示。本實用新型的特征還在于彈簧槍有長達40-140mm平直的或人字形平滑導軌(35)，槍桿后端有靜止長度范圍120-30mm的壓縮彈簧(36)，槍桿壓縮位置用槍閂或銷釘等定位。
本實用新型的向心力轉動體(25)的結構見圖5。它有轉軸(38)、兩個拉伸彈簧(39)、兩個滑塊(40)、滑桿(41)等零件，本實用新型的特征在于一個滑塊的下端有一長度可調節的放電針(37)。
本實用新型的金屬桿擺的結構見圖6，桿擺上端有雙螺釘針(42)杠桿(43)，下端有擺錘(24)，本實用新型的特征在于擺錘平面中心及底部可擰入長度可調的放電針(44)。
本實用新型的特征還在于有一層墨粉紙(47)，電火花放電時在電場的作用下墨粉紙上的碳粉向鄰近的白紙上遷移、淀積，形成清晰可見的電火花放電點跡，從而大大地減少了所需的放電電流，保證了學生實驗時的人身安全。
本實用新型“二維空間——時間描跡儀”的工作過程如下所述，電火花描跡電源提供的確定頻率的高壓微電流脈沖情形之一是加在兩塊平行導電板之間，當運動體從中間經過時，通過放電針產生電火花放電情形之二是加在繞固定軸轉動的物體與一個導電平板之間，通過放電針產生電火花放電；情形之三是加在懸掛的金屬桿擺與一導電平板之間，也通過放電針產生電火花放電；電火花放電電流經過導電的墨粉紙時，墨粉紙上的碳粉沿電火花徑跡遷移并沉積在鄰近的白紙上，形成一定時間間隔的運動點跡，這些點跡記錄了運動體的二維空間信息和確定周期的時間信息。
本發明的當前應用是取代中學物理正在大量使用的前述幾種傳統的教學儀器，從而全面提高力學學生實驗的質量。
本發明的儀器應用之一是研究平拋物體的運動實驗，工作狀態見圖7。此時已取下前蓋板(3)，彈簧槍(27)安裝在左上角，調節底座下方三個底腳螺釘(19)，使右側重垂線(17)位于正面板(6)所在的平面內，即完成了儀器的調水平工作。向后拉彈簧槍槍桿，用銷釘固定在適當位置，把輕運動體放在靠槍桿頂端的導軌上，讓其可調放電針指向外面。裁好高×寬＝340mm×290mm的墨粉紙和普通白紙各一塊，疊放后白紙朝外地貼緊正面板，弄平后用磁片(45)壓緊，再蓋上前蓋板，電源插頭接到交流220V電源上。然后按住電源輸出按鈕，描跡電源開始工作，釋放彈簧槍，運動體做平拋運動的同時產生電火花放電，運動體下落后釋放電源按鈕，取下前蓋板，取出白紙，觀察白紙反面的火花點跡曲線，即為平拋曲線。點跡如果不清楚，可調節放電針距前蓋板的距離為1.5-2mm為宜；點跡曲線的位置，可通過調節彈簧槍銷釘的位置實現；點跡大小可通過改變電源輸出的檔位實現。
本發明的儀器應用之二是研究斜拋物體的運動實驗，儀器布置見圖8。操作調整方法同上，只是把彈簧槍(27)安裝在儀器左下角下固定耳(23)上，實驗方法均同上。改變彈簧槍的角度，實驗后可得到不同的拋物線，實驗可做到又快又好。
本發明的儀器應用之三是研究碰撞實驗，儀器布置見圖9。調整方法同上。
1、彈性碰撞把輕運動體放在彈簧槍(27)導軌(35)末端，使碰撞發生在運動體已離槍桿推動時的位置，重運動體有彈簧的一面朝前，另一面則靠近彈簧槍頂端。調節彈簧槍銷釘位置，觀察碰撞后輕運動體的運動軌跡長度是否適中，合適后即開始實驗。同樣位置重復做三次，每次讓一個運動體產生火花放電，不讓產生火花放電的運動體的放電針要擰進螺孔內或者換擰在上面，碰撞前讓重運動體做一次平拋運動，碰撞則分別做一次重運動體和輕運動體的描跡，注意每次實驗前都要改變一下白紙位置，避免點跡重疊。
2、塑性碰撞方法同上,這時要換用無彈簧的次重運動體，其向前的一面粘有橡皮泥；另外，同一位置只需做二次，因碰撞后二運動體速度相同。
本發明的儀器應用之四是完成用沖擊擺測彈丸的速度實驗，儀器布置見
圖10。桿擺上端的針尖式杠桿(43)懸掛在頂板(16)的支承孔內，擺錘一側粘有凹形橡皮泥(48)且位于左邊。彈簧槍裝在面板(6)下面底部螺孔內，把次重運動體放在槍的導軌(35)上。裁好高×寬＝110mm×240mm墨粉紙和白紙各一塊，白紙朝外疊放后貼在面板(6)下部中間，弄平后用磁片壓好周邊。調節彈簧槍位置，并調節好擺錘(24)的位置，使擺錘平面與面板(6)平行，放電針(44)離紙面距離適中，并使運動體剛好射入擺錘的橡皮泥(48)之中，能隨擺錘運動100mm以上。做實驗時放電時間控制在一個周期，但時間長一點對實驗結果無影響。與傳統儀器相比，此處實驗方法簡單、省時，實驗精度高，不損傷儀器。
本發明的儀器應用之五是研究物體做圓周運動的向心力，儀器布置見
圖11，呈水平放置。把邊長260mm正方形墨粉紙和白紙中央穿一直徑35-45mm的孔后，套放在面板中央的軸套上，弄平后周邊用磁條壓住，再把向心力轉動體(25)中間的細長軸放進軸套中，調節放電針與紙面的距離適中。實驗時捻動上面的轉軸，當轉動半徑較大且針尖不碰磁條和紙面時放開手，并按下電源輸出按鈕，放電將近一周時放開按鈕；然后當放電針轉動半徑明顯變小時再放電一周，這樣獲得3-4圈放電點跡后即停止工作，取下轉動體，拿出白紙后即可進行結果分析，由于得到的是二維空間——時間信息的點跡，實驗數據準確，使原來難做的實驗一下變容易了。
本發明的儀器應用之六是研究物體振動圖象的實驗，儀器布置見
圖12。擺錘上的放電針改旋在擺錘下方螺孔內。30mm×180mm墨粉紙平放在長鐵片(49)上面，把寬130mm長約1.2米的白紙條從儀器后方經面板下面，再經擺錘和墨粉紙之間向前拉出，弄平白紙，調節放電針距紙面約1mm。實驗時向一側拉開擺桿后放手，隨即用推拉開關接通電源，用手向外勻速拉出白紙條，直到全都拉出后關斷電源。可觀察到擺的振動被展開后的圖形是一條正弦曲線。
本發明的儀器應用之七是研究擺的振動方程，儀器布置見
圖13。這時已將放電針改旋進擺錘中央的螺孔中，針尖與面板的距離適中。50mm×180mm墨粉紙鋪在放電針正對面，并將120mm×200mm白紙鋪在它的上面用磁條壓住紙的四邊。向一側拉開擺桿后放手，當擺快到達一側最大位置時，按下電源按鈕，擺到達另一側最大位置時才放開按鈕，然后取下白紙對點跡圖像進行研究，可得出擺的振動方程，它就是簡諧振動的方程，這里把以前相當困難的實驗變為簡單易做、容易分析結果的實驗了。
權利要求1.一種二維空間——時間描跡儀，包括一個具有工作面的便攜式框體，一個電火花描跡電源，能夠產生一種或多種確定頻率的單向高電壓微小電流脈沖，一個具有電極的運動體，與上述電火花電源電連接，附著于所述便攜式框體的工作面上的墨粉紙和白紙，其特征在于當所述的運動體在運動時，其上的電極會在所述便攜式框體的工作面之間發生放電，通過墨粉紙并在白紙上留下痕跡。
2.一種如權利要求1所述的二維空間—時間描跡儀，其特征在于所述的運動體能在一個彈簧槍的作用下做無轉動的拋體運動。
3.一種如權利要求1所述的二維空間—時間描跡儀，其特征在于所述的運動體可在向心力作用下繞一固定軸轉動，其上的滑塊放電針構成了電極。
4.一種如權利要求1所述的二維空間—時間描跡儀，其特征在于所述的運動體為一種金屬桿擺，其上的擺錘放電針構成了電極。
專利摘要一種二維空間－時間描跡儀,屬于高中物理教學實驗儀器,它是在一個便攜式框體內,利用框體中的豎直工作面、水平工作面或水平放置時的工作面,利用特別要求的彈簧槍、幾種不同的運動體、向心力轉動體、桿擺,并利用特別要求的電火花描跡電源,分別在做無自轉運動的運動體所在的兩平行導電板間,或做曲線運動的運動體與導電板之間,施加單向高電壓脈沖,產生一種或多種確定頻率的微小電流的電火花放電。本套儀器結構緊湊,操作簡便,性能價格比高,實驗精度高,節省教學時間。
文檔編號G09B23/10GK2301764SQ97218890
公開日1998年12月23日 申請日期1997年7月3日 優先權日1997年7月3日
發明者金毅, 李俊倫 申請人:國家教育委員會教學儀器研究所