巧用減速電機(jī)自制多功能力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)裝置

李燕冰

(江蘇省蘇州市立達(dá)中學(xué)校,江蘇 蘇州 215000)

蘇科版初中物理教材第八章和第十一章的三個(gè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)中都需要拉著物體做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，如果徒手操作,實(shí)驗(yàn)效果不佳。為了提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性,筆者設(shè)計(jì)、制作了一套多功能力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)器材，可用于“探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”“(利用斜面)測(cè)量提升物體所做的功”和“探究動(dòng)滑輪和定滑輪特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在教學(xué)過(guò)程中,牽引器勻速拉動(dòng)物體,與教材實(shí)驗(yàn)操作的要求相符,同時(shí)測(cè)力計(jì)的刻度通過(guò)攝像頭輸出到電腦,提高了實(shí)驗(yàn)的可視度,學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀(guān)察直觀(guān)、理解深刻。

1 器材特點(diǎn)及制作材料

1.1 功能特點(diǎn)

本教具利用減速電機(jī)、直流可調(diào)速控制器和電源制成“牽引器”,通過(guò)巧妙的構(gòu)思和設(shè)計(jì),解決了“需要?jiǎng)蛩倮瓌?dòng)”的實(shí)驗(yàn)難題,同時(shí)利用攝像頭投屏，提高了實(shí)驗(yàn)的可視度,探究過(guò)程方便、科學(xué)、有趣。本器材具有集成度高、功能多、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于制作等特點(diǎn)。

1.2 制作材料

減速電機(jī)、直流電源、可無(wú)級(jí)調(diào)速雙向正反轉(zhuǎn)直流控制器、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、帶軸承絲桿支撐座、木板、木塊、鉤碼、彈簧測(cè)力計(jì)、抽屜滑軌、撐桿、鐵架臺(tái)、滑輪、水平儀、數(shù)顯量角器、強(qiáng)磁鐵鉤、玻璃板、攝像頭、一字型激光頭和3D打印機(jī)等。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

2.1 制作多功能工作臺(tái)

(1) 如圖1所示,用木板制作開(kāi)口木盒，盒內(nèi)一端安裝直流電源和直流調(diào)速器，木盒內(nèi)側(cè)安裝抽屜滑軌,滑軌上安裝木制鐵架臺(tái)底座。

圖1

(2) 如圖2(a)所示，制作一塊蓋板，蓋板用合頁(yè)安裝在木盒電源的頂部。

如圖2(b)所示，在木盒兩側(cè)安裝鋁合金撐桿,便于調(diào)整、固定蓋板的傾斜角度。木盒兩端的側(cè)面分別安裝三個(gè)高度可調(diào)節(jié)的支撐腳,以便調(diào)節(jié)三個(gè)位置的高度使得工作臺(tái)面水平。

如圖2(c)所示，在木盒側(cè)面與合頁(yè)同軸位置安裝數(shù)顯量角器,用于測(cè)量斜面傾角,在安裝開(kāi)關(guān)電源一端的側(cè)面開(kāi)一孔,以安裝直流控制器的調(diào)速旋鈕和變向開(kāi)關(guān),再用有機(jī)玻璃板封口。

圖2

2.2 制作牽引器

(1) 如圖3所示,在木箱蓋板上遠(yuǎn)離合頁(yè)的一端安裝電機(jī)支架,將減速電機(jī)固定在支架上,用聯(lián)軸器將電機(jī)輸出軸與鋼軸相連,鋼軸的另一端用帶軸承絲桿支撐座固定。在鋼軸上均勻纏繞棉線(xiàn),在棉線(xiàn)的自由端系上掛鉤。

圖3

(2) 如圖4所示，將電動(dòng)機(jī)與開(kāi)關(guān)電源、可無(wú)級(jí)調(diào)速雙向正反轉(zhuǎn)直流控制器串聯(lián)。通過(guò)切換控制器上的三檔船型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向,通過(guò)旋轉(zhuǎn)控制器上的旋鈕，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖4

2.3 制作彈簧測(cè)力計(jì)支架、小車(chē)和木塊

(1) 如圖5所示,在距木板左側(cè)55 mm處的中間位置用電鉆打孔,安裝加長(zhǎng)螺母,將攝像頭的鋁合金軟管安裝在螺母上。木板兩側(cè)各安裝一對(duì)橡膠輪。在長(zhǎng)螺母右邊安裝兩塊弧形木板,將彈簧測(cè)力計(jì)卡在弧形木板之間。將攝像頭連接電腦后,可通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)顯示彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)。

圖5

(2) 如圖6所示,在木塊左側(cè)貼上薄鐵片,將一強(qiáng)磁掛鉤吸在鐵片上。木塊頂部的四個(gè)凹坑中各安裝一個(gè)強(qiáng)磁鐵。

圖6

2.4 制作測(cè)力計(jì)激光指示盒和鉤碼形激光指示器

(1) 如圖7所示，測(cè)力計(jì)激光指示盒是用3D打印制作的帶蓋方盒。盒內(nèi)安裝一字型激光頭和船型開(kāi)關(guān),用CR2032紐扣電池供電。將方盒貼在測(cè)力計(jì)右側(cè),激光頭安裝方向與彈簧測(cè)力計(jì)刻度板垂直并射向彈簧測(cè)力計(jì)后方。在彈簧測(cè)力計(jì)左側(cè)貼一金屬盒,內(nèi)裝適量鋼珠作為配重,使彈簧測(cè)力計(jì)懸掛后能保持在豎直方向上。

圖7

(2) 用3D打印制作帶蓋圓盒,盒內(nèi)安裝一字型激光頭、船型開(kāi)關(guān),用CR2032紐扣電池供電。將激光頭平行于盒底安裝,在盒兩側(cè)打眼,用鋼絲制作掛桿,用棉線(xiàn)制作掛線(xiàn)。盒子上下貼有配重,使激光指示器的質(zhì)量為50 g(與一只鉤碼的質(zhì)量相等),且要保證圓盒懸掛后激光能水平射出。

3 使用方法

3.1 探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，調(diào)節(jié)三只支撐腳,使工作臺(tái)面水平。將牽引器掛鉤與固定于小車(chē)上的彈簧測(cè)力計(jì)吊環(huán)相連,將木塊上的強(qiáng)磁鉤與彈簧測(cè)力計(jì)秤鉤相連。

圖8

(2) 將強(qiáng)磁鉤吸在木塊側(cè)面的鐵片上,調(diào)節(jié)強(qiáng)磁鉤的位置,保證在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拉力始終與工作臺(tái)面平行。

(3) 啟動(dòng)“牽引器”,使減速電機(jī)勻速拉動(dòng)木塊。攝像頭將彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)同步輸出到電腦顯示屏上。

(4) 調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,即可改變物體的運(yùn)動(dòng)速度,探究滑動(dòng)摩擦力的大小與物體的運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系。

(5) 改變木塊的放置方式,即可改變木塊與工作臺(tái)面的接觸面積,探究滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面積的關(guān)系。為了保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拉力與工作臺(tái)面平行,必須調(diào)節(jié)強(qiáng)磁鉤在木塊上的吸附位置。

(6) 探究滑動(dòng)摩擦力的大小與壓力大小的關(guān)系時(shí),可在木塊上面放置不同數(shù)目的鉤碼，來(lái)改變木塊對(duì)工作臺(tái)面的壓力大小。木塊頂部四個(gè)凹坑中各安裝有強(qiáng)磁鐵,可避免實(shí)驗(yàn)中因鉤碼晃動(dòng)造成彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)不穩(wěn)定。

3.2 利用斜面測(cè)量提升物體所做的功

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，抬起工作臺(tái)面一端,用可伸縮撐桿固定工作臺(tái)面,數(shù)顯量角器同步顯示臺(tái)面的傾角。

圖9

(2) 啟動(dòng)牽引器,使減速電機(jī)勻速拉動(dòng)木塊。攝像頭將彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)同步輸出到電腦顯示屏上。

(3) 改變工作臺(tái)的傾角,可探究斜面的機(jī)械效率與傾角的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)中的最大傾角可達(dá)到80°。

(4) 在木塊頂部四個(gè)凹坑中放入不同數(shù)目的鉤碼,可探究斜面的機(jī)械效率與物重的關(guān)系，木塊凹坑中的強(qiáng)磁鐵可避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鉤碼的晃動(dòng)或掉落。

3.3 探究定滑輪和動(dòng)滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)

(1) 在探究定滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)時(shí),放平工作臺(tái)面,各套件組裝方式如圖10所示。調(diào)節(jié)鐵架臺(tái)下的底座位置,使拉力保持為豎直方向。激光指示器發(fā)射的一字型激光投射到班級(jí)白板上,方便記錄鉤碼和測(cè)力計(jì)的初始位置?？梢苿?dòng)鐵架臺(tái)下的滑軌,即可探究使用定滑輪時(shí)拉力大小與拉力方向的關(guān)系。

圖10

(2) 在探究動(dòng)滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)時(shí),抬起工作臺(tái)并固定,各套件組裝方式如圖11所示,調(diào)節(jié)鐵架臺(tái)下底座位置,使拉力沿豎直方向，探究使用動(dòng)滑輪時(shí)拉力大小與拉力方向的關(guān)系的方法與步驟(1)相同。

圖11

4 結(jié)語(yǔ)

本套實(shí)驗(yàn)器材主要用于解決三個(gè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)中“勻速拉動(dòng)”問(wèn)題，經(jīng)過(guò)教學(xué)中多次使用,表明很適合課堂演示，同時(shí)它還可用于以下實(shí)驗(yàn)教學(xué):探究勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、測(cè)量木塊與各接觸面間最大靜摩擦力、探究影響滑輪組機(jī)械效率的因素、探究影響斜面機(jī)械效率的因素等。運(yùn)用本實(shí)驗(yàn)器材能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情。