一种多功能物理实验仪

山东省巨野县第一中学(274900)

赵 冲

1 设计背景

物理学是一门基于实验的学科，物理实验教学对学生理解物理原理起着重要的作用。其中，重力加速度实验和摩擦力实验是中学物理中非常重要的实验，重力加速度可以使学生理解牛顿定律，而摩擦力主要取决于摩擦系数和压力，但现有的实验仪器比较落后，难以使学生直观的理解上述物理原理。不能启发和提高学生的自主创新能力。

2 实验器材

为解决上述技术问题，笔者自制了一种多功能物理实验仪，该实验仪包括重力实验装置和摩擦力实验装置，其结构示意图如图1所示。

重力实验装置包括上台和下台，上台包括依次连接的斜台和平台，斜台两侧、平台两侧、平台前端设有挡板，平台底部为伸缩板，伸缩板通过电动开关控制伸缩，下台上正对平台伸缩板的位置安装有传感器，传感器有一定坡度以利于实验球进入斜轨，传感器和电动开关连接计时器。

摩擦力实验装置包括依次连接的加速段轨道和匀速段轨道，加速段轨道为与下台连接的斜轨，匀速段轨道为水平轨道，包括光滑轨、粗糙轨和电磁线圈；光滑轨底部设有贯通的空隙，粗糙轨位于光滑轨下方，并且与光滑轨底部的贯通空隙相对应，能够通过电动开关使粗糙轨上升并贴合于贯通空隙处，粗糙轨下方设有电磁线圈，可以通电产生磁力。

实验球为两层结构，外部为铁壳，内部为塑料。实验时，实验球依次放于平台和斜台上落下。

整个重力实验装置和摩擦力实验装置分别安装在对应的支架和底座上，支架可伸缩并带有刻度。

1-斜台；2-平台；3-挡板；4-实验球；5-电动开关；6-传感器；7-计时器；8-斜轨；9-光滑轨；10-粗糙轨；11-电磁线圈；12-底座；13-支架。图1 实验仪的结构示意图

3 实施方法

调整支架选择合适的高度，随后启动电动开关使伸缩板缩回，此时第1个实验球落下，计时器开始计时。随后伸缩板立即伸出挡住第2个实验球，第1个实验球落到传感器上时，触发传感器，计时器结束计时，此时重力实验结束。

第1个实验球随后经过斜轨加速后进入水平轨道，速度较快的经过光滑轨，完成第1次摩擦力实验。

第2个实验球的重力实验部分同上，经过斜轨加速后进入水平轨道，此时使粗糙轨上升，贴紧并贴合于贯通空隙处，第2个实验球由于粗糙轨的摩擦力增大，以较慢的速度经过水平轨道，完成第2次摩擦力实验。

第3个实验球的重力实验部分同上，经过斜轨加速后进入水平轨道，此时使电磁线圈通电产生磁性，对实验球的铁壳产生吸力，模拟球对水平轨道表面的压力，此时在压力作用下，摩擦力进一步增大，第3个实验球以最慢的速度经过水平轨道，完成第3次摩擦力实验。

作为进一步改进，可以在水平轨道的开始端和末端再安装传感器并连接计时器，这样可以将实验球在水平轨上的具体通过时间量化，从而进一步体现摩擦系数和压力对摩擦力大小和速度的影响。

4 结语

本教具相对于现有技术的优点在于：采用计时器和传感器结合，对重力实验进行定量测量，可以直观简单的理解牛顿定律，采用不同界面得出不同摩擦系数，使学生理解不同摩擦系数对摩擦力，以及对物体速度的影响。同时采用电磁线圈产生磁力，对铁球产生吸力，模拟压力对摩擦力的影响，以及对物体速度的进一步影响。实验过程简单直观，探究结果容易实现。