高中物理自由落体实验用模拟结构

杨晓桐

【摘 要】自由落体运动是自然界中一种常见的匀变速直线运动，是高中物理课程中的重要内容之一。本文提出一种自由落体实验用模拟结构。

【关键词】高中物理；自由落体实验；模拟结构

在物理学习中，通过实验的方式可以帮助学生更好地学习和理解物理知识，提高自己的物理成绩。对高中学生来说，自由落体是物理学习中的重点，也是难点。自由落体实验是一种有效的学习方法，在试验测试中，需要使用相关的器材反映铁球的下落，获得真实的检测数据，从而深入了解自由落体运动知识。现有的实验在循环使用中存在不足，反复示范操作十分不方便。本次研究提供高中物理自由落体实验用模拟结构，能够使球体在实验中自动复位，方便在操作中反复示范。

一、自由落体实验用模拟结构实施方式

高中物理自由落体实验用模拟结构，包括一端侧壁开放的壳体，在所述壳体的顶部内壁上设置有多个轴线相互平行的槽管，在所述壳体的内侧壁上设有导轨，导轨上开有凹槽，丝杆活动贯穿壳体顶部后向凹槽内延伸，在壳体底部内壁上设有上端开放的盒体，且盒体的开放端正对多个槽管的端部，在盒体的底部填充有橡胶体，橡胶体上开有多个与所述槽管相对应的T型槽，T型槽贯穿盒体侧壁后与壳体内部连通，T型槽的槽深沿盒体水平指向导轨的方向递增，在壳体内部还设有支撑板，在支撑板的一端设有突起，突起置于凹槽内，且突起上开有与丝杆相配合的螺孔；还包括呈三棱柱状的导向台，所述导向台的一个棱角与所述支撑板的上表面铰接，在支撑板的上表面设有气缸，气缸的输出端与导向台的一端底部铰接，导向台的另一端与多个T型槽对向设置，初始状态下导向台的上表面与水平面平行，且在导向台的上表面上开有多个与T型槽对接的导向槽，且所述导向槽的槽深由T型槽水平指向导轨的方向递增；实验时，球体由槽管中向下做自由落体运动，落入T型槽内后进入至导向槽中，通过旋转丝杆，导向台上移，启动气缸，导向台的一端被抬升且其另一端下降，球体由导向槽内重新进入至槽管内。

针对现有的自由落体运动试验时，球体无法循环复位，影响实验进度，申请人对现有的实验仪器进行了改进，即利用多个槽管与盒体的对中，以及支撑板、导向台、导轨的相互配合，使得不同质量的球体在进行实验后，能够快速实现球体的复位，只需控制球体下落，便可在盒体内真实反映出两个或是多个球体同时落地的结果，符合现场实验人员对试验的需要，方便反复实验观察；具体使用时，在槽管的端部增加端盖，以确保进行实验的多個球体处于同样的水平高度，同时取下多个端盖，使得多个球体开始做自由落体运动，而盒体采用透明塑料制成，而盒体底部填充的橡胶体能够对下落的球体进行一定缓冲，以免球体反弹过度，落入T型槽内的球体会沿T型槽进入到导向台上的导向槽内，支撑板与导向台铰接，且导向台的一端与位于支撑板上的气缸输出端连接，而T型槽与导向槽均倾斜设置，且在球体移动到导向槽的极限位置时便停止移动，进而保证导向台以及球体的上升稳定性，当导向台在丝杆的带动下上升至高出槽管的水平位置时，气缸启动，推动导向台朝靠近槽管一侧的方向倾斜，球体再次沿导向槽滑动至对应的槽管内，且在球体下落至盒体内时，槽管允许球体下落的一端被端盖封闭，因此，在重复演示时球体回复至初始位置后能够保持静止，即完成球体的自动复位。

二、自由落体实验用模拟结构的优势

本实用新型高中物理自由落体实验用模拟结构，盒体底部填充的橡胶体能够对下落的球体进行一定缓冲，以免球体反弹过度，落入T型槽内的球体会沿T型槽进入到导向台上的导向槽内，支撑板与导向台铰接，且导向台的一端与位于支撑板上的气缸输出端连接，而T型槽与导向槽均倾斜设置，且在球体移动到导向槽的极限位置时便停止移动，进而保证导向台以及球体的上升稳定性，当导向台在丝杆的带动下上升至高出槽管的水平位置时，气缸启动，推动导向台朝靠近槽管一侧的方向倾斜，球体再次沿导向槽滑动至对应的槽管内，且在球体下落至盒体内时，槽管允许球体下落的一端被端盖封闭。因此，在重复实验时球体回复至初始位置后能够保持静止，即完成球体的自动复位。

本实用新型高中物理自由落体实验用模拟结构，在T型槽内设置弹簧，弹簧上设有缓冲板，且缓冲板与T型槽的水平段底部之间留有间隙，以供弹簧以及缓冲板发生位移时具备一定的位移空间，缓冲板正对球体的下落点位且其上表面向内凹陷呈球面，即通过橡胶体以及弹簧的两级缓冲，能够快速将球体落地时产生的动能和势能消除，以方便球体顺利沿T型槽进入至导向槽内，确保球体的回收动作连续不间断；

本实用新型高中物理自由落体实验用模拟结构，初始状态下，球体的重力对压力传感器Ⅰ形成挤压，压力传感器Ⅰ将该压力数据传递至控制器，且控制器自带计时功能，球体下落后，压力传感器Ⅰ失去压力后触发控制器开始计时，而当球体与缓冲板上的压力传感器Ⅱ接触时，压力传感器Ⅱ受到挤压并将检测到的压力数据传送至控制器，且触发控制器停止计时，最后，球体的下落时间在通过控制器处理后，直接显示在数码显示器上，以供学生观察计算；通过设置两个压力传感器来替代现有的人工计时，得出的检测数据更加真实准确，能够有效提高实验效果，帮助学生学习。

参考文献：

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[2]潘艳玲.“研究自由落体运动”实验方法的改进[J].实验教学与仪器，2014，31（6）：24-25.

[3]黄伟峻.自由落体运动实验的学习心得体会[J].环球市场信息导报，2017（35）：106-107.