专利名称：自由落体演示仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种自由落体演示仪，属教学仪器。
现有物理课教学中，有关自由落体章节的教学通常是通过书本来完成的，这种方法不能直观地反映自由落体运动的规律，不利于学习对该章节内容的深刻理解。而原有这方面的仪器均不能演示落体即时速度及速度图线。
本实用新型的目的是提供一种自由落体演示仪，它可以在课堂上由老师一人操作，演示自由落体到达预设点的时间及即时速度、速度图线，从而帮助学生较直观的认识自由落体运动的规律，加深理解。
本实用新型是根据电磁感应原理来显示落体即时速度。在公式ε＝BLVsinα中，如果B.L.sinα一定，则电势ε将只正比于落体速度V。我们知道，在自由落体运动中，物体下落速度是一个变量(V＝gt)，将此变量引入到上述公式中，就可以得到正比于V的ε，然后将ε进行模数转换，就可以得到物体下落过程中任意预设点即时速度的数字量。因此，本实用新型采用磁铁做落体，再在磁铁降落的路线上装上若干组线圈，处在不同高度(即不同速度V)、相同匝数的线圈将感生到不同的电势ε，这样就完成了模拟转换的第一步。
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的一个实施例结构示意图；图2是
图1中的发光显示系统电路原理(只画出左边第一组，其余几组原理相同)；
图3是本实用新型的计时控制电路原理图；图4是本实用新型的V－ε转换电路原理图。
图中，1－落体释放器，2－落体(磁铁)，3－干簧管(四支)，4－线圈，5－下落通管，6－计时接点，7－鲤鱼夹，8－发光二极管，9－电子计时表，10－光控发射接收管，11－复位按纽，12－电源开关，13－面板。
参照
图1，在面板(13)上标有以时间(秒)为横坐标、落体速度(米／秒)为纵坐标的直角坐标系，坐标中对应于一定的时间、速度设有几组发光二极管(8)，每一组发光管的数目依次递增。通管(5)与纵坐标平行，其下端固定于面板边框，上端是一个由微泡W与光电管BG2组成的光控发射接收管(10)，落体(2)便从该端进入往下落。落体(2)可用手释放，也可采用
图1的落体释放器(1)，它有一个固定于框架上但可来回抽动的长形杆，用来挂放落体(2)，长杆之上有一固定块，这样，当抽回长杆时，挂于其外端的落体(2)便自然经光控发射接收管(10)沿下落通管(5)落下，成为自由落体。通管(5)上缠有四组(或四组以上)匝数相同的线圈(4)(即图4中的L1－L4)，它们离起始端的距离分别为49、196、441、784毫米。根据公式h＝ 1/2 gt2及V＝gt计算，落体到达它们的时间和即时速度应分别是0.1、0.2、0.3、0.4以及1、2、3、4米／秒，这就是制作
图1中的坐标显示图的依据。为便于学生直观感受到落体在相同的时间间隔里下落的距离不同，用O、A、B、C、D标出了起始端与各线圈位置间的距离，它们分别是OA为49毫米，AB147毫米，BC245毫米，CD343毫米。在靠近线圈(4)的面板上装有四支干簧管(3)(即图4中的K1、K2、K3、K4)，分别控制四组发光二极管。
参照图4，作为输入极的Ic2接成反相输入的加法器。当磁铁(2)从通管(5)上端下落并依次通过L1、L2、L3、L4时它们将感生出电势(约定磁铁N极向下，并使N极进入线圈时感生的电势是负相的)，它们通过各自的输入电阻先后加至Ic2的反相输入端(6脚)，这时Ic2只对负相输入电压起作用，输出端将输出一正相电压(7脚)，该电压通过C1R3加至Ic3的反相输入端(9脚)，Ic3接成交流放大的形式，它的第8脚输出一负相电压，经C3R8加至Ic4的反相端(13)脚进行放大，由于输入的只是负向电压，故此极无需偏置，BG1作为扩展输出电流之用，W1用于调整电路的放大倍数。为保证放大电路的线性，各极均加入深度负反馈。四支干簧管(K1、K2、K3、K4)分别控制四组发光二极管(8)，当磁铁(2)在线圈中感生出电势前，磁铁(2)将其吸合，磁铁通过线圈后释放。
当干簧管K1被吸合时BG1的e极输出电压经图2中的F点(与图4中F点同)，Ro加至CR1的控制极，当此电压达到一定值(如0.6伏)时CR1导通，发光管LED1点亮，当此电压再升一定值(如0.6伏)时，D1、CR2导通，LED2点亮，其余类推。
在模拟量和数字量之间如何进行定量转换是可以任意选定的。本实施例选定当5个发光管点亮时代表即时速度1米／秒，当10个发光管点亮时代表即时速度2米／秒。以下类推。
与线圈(4)数目相对应的发光管(8)共有四组，均竖直排列在面板的直角坐标中，每组所含发光管数视需要而定，对应于纵轴所点亮的最上面一个发光管表示落体到达该线圈位置时的即时速度，对应于横轴表示落体到达该线圈位置的时间。
为了明确显示落体到达某一点的时间，在面板上装一计时表(9)(为现有结构)，它受图3所示电路的控制。参见图3，由BG2和W组成光控发射接收管(10)，装于通管(5)上部落体的起始位置。当磁铁(2)下落挡住光线时，有一正脉冲经C5、D1、R10加至Ic1的同相输入端(3脚)，由1脚输出一正脉冲经R13使D4发出红外线，D5接收到红外线后反向电阻迅速下降，由于D5是反向串接在计时表(9)的正极和时间触发点之间，这时计时表(9)被触发开始计时。当磁铁(2)N极平面下落到线圈L1位置时，由前所述图2中的①点电位将迅速下降，产生一负脉冲，这一负脉冲是通过
图1中面板下部的某一计时接点(6)而引出的，再通过鲤鱼夹(7)的导线接至图3中的E点，经C6、D3、R12加至Ic1的反相输入端2脚，使之产生一正脉冲输出，使电子表计时停止。当把鲤鱼夹(7)改接到另外几组发光二极管的计时接点时，就能分别测出磁铁(2)到达对应线圈位置的时间。
综上所述，当磁铁(2)至上而下通过四个线圈时，四组发光二极管从左至右除每组最上面两个外都被依次点亮，这样就对应于O、A、B、C、D几点在坐标中显示出一条由o、a、b、c、d组成的速度图线，学生们可根据该仪器所标和所测出来的数据代入各项公式进行验算，并直观地认识自由落体运动，从而加深学生们对自由落体运动规律的认识。
本装置构思新颖，结构简单，制作容易，重量轻，可由老师一人操作演示，能显示落体到达预定点的即时速度及速度图线，较直观地反映出自由落体运动规律，是一种实用性强的教学仪器。本装置亦可用于求重力加速度9。
实施例面板(13)用木材，通管(5)用胶木管(或有机玻璃)。4个Ic均为 1/4 LN324 K1、K2、K3、K4均为JAG－2，LED1－LDE7为2EF1A，D4、D5分别为红外发射与接收二极管，图2－图4中的电路集中于一电路板上，安装在面板(13)的反面。
权利要求1.一种自由落体演示仪，包括装置部分与电路部分，其特征在于装置部分包括一个标有直角坐标的面板(13)、磁性落体(2)以及固定于面板并能通过落体(2)的下落通管(5)，该通管上绕有至少四组匝数相同的线圈(4)，在靠近线圈的面板(13)上装有几支与线圈(4)相对应的干簧管(3)，在上述直角坐标中对应于线圈(4)数装有几组发光管(8)，每支干簧管(3)分别与一组发光管(8)相通，每支干簧管(3)受线圈(4)所感生的电势驱使而闭合或断开从而控制每组发光管(8)；下落通管(5)顶端为微泡W与光电管BG2组成的光控发射接收管(10)，它根据落体(2)经过通管(5)的不同高度来控制装于面板上的计时表(9)。
2.根据权利要求1所述的自由落体演示仪，其特征在于面板(13)上部设有一落体释放器(1)，它主要是一根可来回抽动的长杆及位于该长杆之上的固定块。
3.根据权利要求1所述的自由落体演示仪，其特征在于面板(13)对应于每组发光管(8)设有计时接点(6)。
专利摘要一种自由落体演示仪是根据电磁感应原理设计而成，主要包括一块标有直角坐标的面板、一块磁性落体以及一个下落通管，通管上绕有多组线圈，当磁铁经下落通管自由落下时，位于坐标中的与线圈相对应的几组发光管将被一一点亮，从而显示出落体到达某一预定点所需时间、即时速度以及速度图线，从而直观地反映出自由落体运动的规律。本装置结构简单，制作容易，可由教师一人操作演示，是一种实用性强的教学仪器。
文档编号G09B23/08GK2049807SQ89212629
公开日1989年12月20日 申请日期1989年6月27日 优先权日1989年6月27日
发明者甘小春 申请人:甘小春