巧用减速电机自制多功能力学演示实验装置

李燕冰

(江苏省苏州市立达中学校,江苏 苏州 215000)

苏科版初中物理教材第八章和第十一章的三个重点实验中都需要拉着物体做匀速直线运动，如果徒手操作,实验效果不佳。为了提高物理实验教学的有效性,笔者设计、制作了一套多功能力学演示实验器材，可用于“探究影响滑动摩擦力大小的因素”“(利用斜面)测量提升物体所做的功”和“探究动滑轮和定滑轮特点”的实验教学。在教学过程中,牵引器匀速拉动物体,与教材实验操作的要求相符,同时测力计的刻度通过摄像头输出到电脑,提高了实验的可视度,学生对实验现象的观察直观、理解深刻。

1 器材特点及制作材料

1.1 功能特点

本教具利用减速电机、直流可调速控制器和电源制成“牵引器”,通过巧妙的构思和设计,解决了“需要匀速拉动”的实验难题,同时利用摄像头投屏，提高了实验的可视度,探究过程方便、科学、有趣。本器材具有集成度高、功能多、结构简单、成本低、易于制作等特点。

1.2 制作材料

减速电机、直流电源、可无级调速双向正反转直流控制器、联轴器、传动轴、带轴承丝杆支撑座、木板、木块、钩码、弹簧测力计、抽屉滑轨、撑杆、铁架台、滑轮、水平仪、数显量角器、强磁铁钩、玻璃板、摄像头、一字型激光头和3D打印机等。

2 实验装置的制作

2.1 制作多功能工作台

(1) 如图1所示,用木板制作开口木盒，盒内一端安装直流电源和直流调速器，木盒内侧安装抽屉滑轨,滑轨上安装木制铁架台底座。

图1

(2) 如图2(a)所示，制作一块盖板，盖板用合页安装在木盒电源的顶部。

如图2(b)所示，在木盒两侧安装铝合金撑杆,便于调整、固定盖板的倾斜角度。木盒两端的侧面分别安装三个高度可调节的支撑脚,以便调节三个位置的高度使得工作台面水平。

如图2(c)所示，在木盒侧面与合页同轴位置安装数显量角器,用于测量斜面倾角,在安装开关电源一端的侧面开一孔,以安装直流控制器的调速旋钮和变向开关,再用有机玻璃板封口。

图2

2.2 制作牵引器

(1) 如图3所示,在木箱盖板上远离合页的一端安装电机支架,将减速电机固定在支架上,用联轴器将电机输出轴与钢轴相连,钢轴的另一端用带轴承丝杆支撑座固定。在钢轴上均匀缠绕棉线,在棉线的自由端系上挂钩。

图3

(2) 如图4所示，将电动机与开关电源、可无级调速双向正反转直流控制器串联。通过切换控制器上的三档船型开关调节电动机旋转方向,通过旋转控制器上的旋钮，调节电动机的转速。

图4

2.3 制作弹簧测力计支架、小车和木块

(1) 如图5所示,在距木板左侧55 mm处的中间位置用电钻打孔,安装加长螺母,将摄像头的铝合金软管安装在螺母上。木板两侧各安装一对橡胶轮。在长螺母右边安装两块弧形木板,将弹簧测力计卡在弧形木板之间。将摄像头连接电脑后,可通过显示屏实时显示弹簧测力计的读数。

图5

(2) 如图6所示,在木块左侧贴上薄铁片,将一强磁挂钩吸在铁片上。木块顶部的四个凹坑中各安装一个强磁铁。

图6

2.4 制作测力计激光指示盒和钩码形激光指示器

(1) 如图7所示，测力计激光指示盒是用3D打印制作的带盖方盒。盒内安装一字型激光头和船型开关,用CR2032纽扣电池供电。将方盒贴在测力计右侧,激光头安装方向与弹簧测力计刻度板垂直并射向弹簧测力计后方。在弹簧测力计左侧贴一金属盒,内装适量钢珠作为配重,使弹簧测力计悬挂后能保持在竖直方向上。

图7

(2) 用3D打印制作带盖圆盒,盒内安装一字型激光头、船型开关,用CR2032纽扣电池供电。将激光头平行于盒底安装,在盒两侧打眼,用钢丝制作挂杆,用棉线制作挂线。盒子上下贴有配重,使激光指示器的质量为50 g(与一只钩码的质量相等),且要保证圆盒悬挂后激光能水平射出。

3 使用方法

3.1 探究影响滑动摩擦力大小的因素

(1) 实验装置如图8所示，调节三只支撑脚,使工作台面水平。将牵引器挂钩与固定于小车上的弹簧测力计吊环相连,将木块上的强磁钩与弹簧测力计秤钩相连。

图8

(2) 将强磁钩吸在木块侧面的铁片上,调节强磁钩的位置,保证在实验过程中拉力始终与工作台面平行。

(3) 启动“牵引器”,使减速电机匀速拉动木块。摄像头将弹簧测力计示数同步输出到电脑显示屏上。

(4) 调节电动机的转速,即可改变物体的运动速度,探究滑动摩擦力的大小与物体的运动速度的关系。

(5) 改变木块的放置方式,即可改变木块与工作台面的接触面积,探究滑动摩擦力的大小与接触面积的关系。为了保证实验过程中拉力与工作台面平行,必须调节强磁钩在木块上的吸附位置。

(6) 探究滑动摩擦力的大小与压力大小的关系时,可在木块上面放置不同数目的钩码，来改变木块对工作台面的压力大小。木块顶部四个凹坑中各安装有强磁铁,可避免实验中因钩码晃动造成弹簧测力计示数不稳定。

3.2 利用斜面测量提升物体所做的功

(1) 实验装置如图9所示，抬起工作台面一端,用可伸缩撑杆固定工作台面,数显量角器同步显示台面的倾角。

图9

(2) 启动牵引器,使减速电机匀速拉动木块。摄像头将弹簧测力计示数同步输出到电脑显示屏上。

(3) 改变工作台的倾角,可探究斜面的机械效率与倾角的关系,实验中的最大倾角可达到80°。

(4) 在木块顶部四个凹坑中放入不同数目的钩码,可探究斜面的机械效率与物重的关系，木块凹坑中的强磁铁可避免实验过程中钩码的晃动或掉落。

3.3 探究定滑轮和动滑轮工作时的特点

(1) 在探究定滑轮工作时的特点时,放平工作台面,各套件组装方式如图10所示。调节铁架台下的底座位置,使拉力保持为竖直方向。激光指示器发射的一字型激光投射到班级白板上,方便记录钩码和测力计的初始位置。可移动铁架台下的滑轨,即可探究使用定滑轮时拉力大小与拉力方向的关系。

图10

(2) 在探究动滑轮工作时的特点时,抬起工作台并固定,各套件组装方式如图11所示,调节铁架台下底座位置,使拉力沿竖直方向，探究使用动滑轮时拉力大小与拉力方向的关系的方法与步骤(1)相同。

图11

4 结语

本套实验器材主要用于解决三个重点实验中“匀速拉动”问题，经过教学中多次使用,表明很适合课堂演示，同时它还可用于以下实验教学:探究匀速直线运动的规律、测量木块与各接触面间最大静摩擦力、探究影响滑轮组机械效率的因素、探究影响斜面机械效率的因素等。运用本实验器材能够激发学生的学习兴趣,提高学生学习物理的热情。