一种便于演示和操作的最速曲线实验装置的制作方法

本实用新型涉及学生领域，具体涉及一种便于演示和操作的最速曲线实验装置。

背景技术：

意大利科学家伽利略在1630年提出一个分析学的基本问题，“一个质点在重力作用下，从一个给定点到不在它垂直下方的另一点，如果不计摩擦力，问沿着什么曲线滑下所需时间最短”。伽利略认为这曲线是圆，但是后续的数学家证明了这个结论是错误的。瑞士数学家约翰伯努利在1696年再提出这个最速降线的问题，征求解答。次年已有多位数学家得到正确答案，其中包括牛顿、莱布尼兹、洛必达和伯努利家族的成员。

在一个斜面上，摆两条轨道，一条是直线，一条是曲线，起点高度以及终点高度都相同。两个质量、大小一样的小球同时从起点向下滑落，曲线的小球反而先到终点。这是由于曲线轨道上的小球先达到最高速度，所以先到达。这条最速降线就是一条摆线，也叫旋轮线。

在有关最速降线的问题教学中，往往只是借助数学中的变分法用于推出公式，并没有相关的实验装置，难以给学生留下深刻印象。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种便于演示和操作的最速曲线实验装置，主要解决现有最速曲线教学中缺少相应的实验装置，不能给学生们留下深刻印象的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种便于演示和操作的最速曲线实验装置，其特征在于：包括演示装置和缓冲装置，所述演示装置包括支架、轨道、电磁铁、铁球、盛球盒和挡板，所述支架上从左至右固定连接有所述轨道，所述轨道包括第一轨道、第二轨道和第三轨道，其中所述轨道的起始端处于同样高度，结束端处于同样高度，并且所述第一轨道为最速曲线轨道，所述铁球位于所述轨道的起始端，并且吸附在所述电磁铁上，所述电磁铁固定设置在所述支架左侧顶部，所述支架侧面设有按钮开关，所述按钮开关与所述电磁铁电性连接，所述支架右侧固定连接有所述盛球盒，所述盛球盒内部中空，左侧开有三个滑槽，所述滑槽内设有所述挡板，所述挡板为L形挡板，并与所述盛球盒转动铰接，所述挡板水平端设有信号灯，竖直端设有轻触开关，所述轻触开关与所述信号灯电性连接，所述竖直端设置在所述轨道的结束端；所述缓冲装置包括缓冲板、弹簧和减速带，所述缓冲板倾斜设置在所述盛球盒内部，并与所述盛球盒内壁通过所述弹簧固定连接，所述盛球盒底面倾斜并且表面设有所述减速带，所述盛球盒侧面开有出球槽，并固定连接有挡球盒。

优选的，所述电磁铁为圆柱体，其底部开有圆弧形凹槽，所述凹槽的直径等于所述铁球的直径。

优选的，所述第二轨道为倾斜的直线轨道，所述第三轨道为倾斜直线和水平直线组合的轨道。

优选的，所述缓冲板的倾斜角度为45度。

优选的，所述挡板的转动角度范围应足够大，使之不会影响所述铁球滚进所述盛球盒中。

(三)有益效果

和现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：(1)设置了三条轨道用于实验结果的对比，能加强学生印象；(2)铁球的下落靠电磁铁控制，能确保同时落下，提高了实现准确性，通过铁球撞击挡板，使挡板转动和信号灯闪亮来判断铁球的先后顺序，便于观察；(3)盛球盒内设置了缓冲装置，用于减轻铁球对盛球盒的撞击程度和降低铁球的速度。本实用新型结构简单，使用方便，具有较好的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的主视示意图；

图2是挡板部位的结构示意图；

图3是挡板转动时的示意图；

图4是电磁铁的部分剖视图；

图5是盛球盒的内部示意图；

图6是盛球盒的剖视图；

各附图标记如下：

1、支架；2、电磁铁；3、铁球；4、按钮开关；5、第一轨道；6、第二轨道；7、第三轨道；8、盛球盒；9、挡板；10、轻触开关；11、信号灯；12、弹簧；13、缓冲板；14、减速带。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一端分实施例，而不是全端的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和图2所示的一种便于演示和操作的最速曲线实验装置，包括演示装置和缓冲装置，演示装置包括支架1、轨道、电磁铁2、铁球3、盛球盒8和挡板9，支架1上从左至右固定连接有轨道，轨道包括第一轨道5、第二轨道6和第三轨道7，其中轨道的起始端处于同样高度，结束端处于同样高度，即三条轨道的起始点与结束点在竖直平面内的投影点是重合的，以此确保实验装置的准确性，另外第一轨道5为最速曲线轨道，第二轨道6为倾斜的直线轨道，第三轨道7为倾斜直线和水平直线组合的轨道，铁球3位于轨道的起始端，并且吸附在电磁铁2上，电磁铁2固定设置在支架1左侧顶部，支架1侧面设有按钮开关4，按钮开关4与电磁铁2电性连接，支架1右侧固定连接有盛球盒8，盛球盒8内部中空，左侧开有三个滑槽，滑槽内设有挡板9，挡板9为L形挡板，并与盛球盒8转动铰接，挡板9水平端设有信号灯11，竖直端设有轻触开关10，轻触开关10与信号灯11电性连接，竖直端设置在轨道的结束端。

在本实施例中，电磁铁2为圆柱体，其底部开有圆弧形凹槽，如图4所示，凹槽的直径等于铁球3的直径，设置凹槽的目的是便于铁球3的定位，因为本装置是通过人手移动铁球3至电磁铁2处，为了确保3个铁球3的位置高度相同，需要设置凹槽，给人一个准确定位的信号，另外如图3所示，挡板9的转动角度范围应足够大，使之不会影响铁球3滚进盛球盒8中。

如图5和图6所示，缓冲装置包括缓冲板13、弹簧12和减速带14，缓冲板13倾斜设置在盛球盒8内部，并与盛球盒8内壁通过弹簧12固定连接，盛球盒8底面倾斜并且表面设有减速带14，盛球盒8侧面开有出球槽，并固定连接有挡球盒，这里设置弹簧12和减速带14的目的均是为了减轻铁球3对盛球盒8的撞击程度，另外缓冲板13的倾斜角度为45度，便于铁球3撞击至缓冲板13后，能竖直落到减速带14上。

本实用新型的工作原理如下：在演示时，首先按下按钮开关4，使得电磁铁2通电，然后将铁球3放置在电磁铁2的凹槽中，铁球3便会被电磁铁2吸住，然后，断开按钮开关4，电磁铁2断电后失去磁性，铁球3便会同时下落，沿轨道滑行至末端会触碰挡板9竖直端上的轻触开关10，然后使得信号灯11通电闪亮，然后铁球3会推动挡板9转动，落至盛球盒8中，这里便可通过观察信号灯11的闪亮顺序和挡板9的转动顺序来判断是哪个轨道的铁球3速度最快，另外，由于铁球3下落的速度较快，为了减轻铁球3对盛球盒8的撞击程度，设置了缓冲装置，铁球3撞击至缓冲板13后，冲击能量会被弹簧12吸收，铁球3落到减速带14上，在减速带14的作用下，最终会以较小的速度滚动至挡球盒中，以备下次实验使用。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。