自由落体演示教具的制作方法

本实用新型涉及一种教学演示教具，尤其是中学物理教学演示的教具，特别涉及一种自由落体演示教具。

背景技术：

自由落体是中学阶段物理课程教学的重要内容，需要学生在掌握自由落体的原理的基础上，通过自由落体实验测量重力加速度的大小。在演示自由落体的过程中，为了测量重力加速度，需要记录重物下落的距离和时间。由于课堂演示无法提供很大的下落距离，也很难进行精确计时，因此大多数情况下，课堂演示和测量得到重力加速度的数值与理论值偏差较大，学生对自由落体和重力加速度只是被动接受，知识点的掌握并不深刻。

cn206556652u公开了一种高速摄影运动分析系统动态校准装置，该现有技术的目的在于利用测量的重力加速度和理论数值进行对比，用以得出系统的测量误差。当然，该现有技术同时也包含测量重力加速度的实验结构。但是该现有技术需要用到高速摄影机，还要配合特定的运动分析软件分析自由落体的过程，以得到重力加速度。因而，利用该现有技术进行教学演示成本实在是太高，其用到的技术手段对中学生来说实在是太过高级，高速摄影、软件分析太复杂而且也不直观，高速摄像机的拍摄出的照片冲洗时间过长，无法在一堂课上呈现出物体运动图像，需要后期图像ps处理，会降低学生对实验的信服度，难以在中学推广。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种自由落体演示教具，以减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种自由落体演示教具，包括一个演示支架，一个用于显示计时的平板电脑和一个用于摄影的手机；所述平板电脑与所述演示支架并排设置，且所述平板电脑的屏幕面向所述手机显示计时界面；所述手机的摄像头面向所述演示支架以及所述平板电脑设置在所述演示支架和平板电脑的正面；所述演示支架包括一个底座，底座的上方竖直设置有一个照明灯箱，照明灯箱面向所述手机的一侧设置有刻度线；所述照明灯箱面向所述手机的一侧的上部并排设置有两个电磁铁，两个电磁铁通过一个共用的电源控制其通断；所述两个电磁铁可通过磁力分别吸住一个铁球以及一个带有铁片的轻质对照球。

优选地，所述刻度线的至少一侧设置有刻度数值。

优选地，所述底座的上方设置有缓冲海绵垫，所述缓冲海绵垫位于所述电磁铁的正下方。

优选地，所述平板电脑设置在所述照明灯箱的高度方向的中间位置。

优选地，所述手机设置在与所述平板电脑等高的位置。

优选地，所述手机与所述平板电脑下方均设置有支撑架。

优选地，所述底座的下方设置有支撑脚。

本申请的自由落体演示教具，其可以利用现有常见的手机和平板电脑这类的普通消费类电子设备，低成本的演示自由落体过程，并通过手机的摄影功能和坐标背板测量下落小球的距离以及记录下落时间，可以较为精确的获得重力加速度的大小，有利于学生直观掌握知识点。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中，

图1显示的是根据本实用新型的一个具体实施例的自由落体演示教具的结构布局示意图；

图2显示的是图1所示自由落体演示教具的演示支架的正面示意图；

图3显示的是图1所示自由落体演示教具的演示支架的侧面示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

如图1-3所示，其分别显示的是根据本实用新型的一个具体实施例的自由落体演示教具的结构布局示意图以及其中的演示支架的正面以及侧面示意图。所述演示教具特别适用于中学物理课程教学过程中演示自由落体的原理，通过直观演示自由落体的过程，学生可以测量下落小球的距离以及记录下落时间，可以较为精确获得重力加速度的大小，有利于学生直观掌握知识点。

具体来说，本实用新型的自由落体演示教具，包括一个演示支架100，一个用于显示计时的平板电脑200和一个用于摄影的手机300；平板电脑200与演示支架100并排设置，且平板电脑200的屏幕面向手机300显示计时界面；手机300的摄像头面向演示支架100以及平板电脑200设置在演示支架100和平板电脑200的正面；演示支架100包括一个底座10，底座10的上方竖直设置有一个照明灯箱20，照明灯箱20面向手机300的一侧设置有刻度线30；照明灯箱20面向手机300的一侧的上部并排设置有两个电磁铁40，两个电磁铁40通过一个共用的电源50控制其通断；两个电磁铁40可通过磁力分别吸住一个铁球41以及一个带有铁片的轻质对照球42。在一个优选实施例中，刻度线30的至少一侧设置有刻度数值，如图2所示。

本实用新型的自由落体演示教具的演示原理如下：

照明灯箱20通电，刻度线30被照亮，便于被手机300的摄像头清晰拍摄到。电源50通电，两个电磁铁40产生吸力，在其中一个电磁铁40的下方吸住一个铁球41，在另一个电磁铁40的下方吸住一个带有铁片的轻质对照球42。

为了体现空气阻力对重力加速度的测量的影响，优选对照球42采用塑料泡沫制成，大小与铁球41相同，塑料泡沫中插入小铁片，以使其可以被电磁铁40吸住。

然后，让平板电脑200上的计时软件开始工作(现有平板电脑无理论苹果还是安卓系统，均带有秒表功能，可以精确到秒之后小数点2位)，使得平板电脑200的屏幕上显示计时数字，如图1所示。之后，操作手机300开始摄像。然后使电源50断电，两个电磁铁40同时失去磁力，铁球41和轻质对照球42同步下落，手机300将小球下落的整个过程拍摄下来，实验操作基本完成。

最后就是根据拍摄到的视频计算重力加速度。

现有的手机，无论是苹果手机还是安卓手机，其摄像程序均具有视频编辑功能，可以一帧一帧查看视频。因而，通过一帧一帧拖动视频编辑标线，可以找到铁球41脱离电磁铁40的瞬间，记录下该瞬间平板电脑200上的时间数值，即为铁球41开始下落的时间t1，此时铁球41对应照明灯箱20上的刻度线30的数值为0。然后继续拖动视频编辑标线，找到一个影像清晰的画面，记录下此时铁球41对应的刻度线30的数值h，以及平板电脑200上的时间数值t2，根据自由落体的重力加速度公式：

计算即可获得重力加速度g的数值。

另外，由于影像清晰的画面不止一个，因而可以利用更多的清晰画面对应的高度值以及时间值，计算获得多个重力加速度g的数值，然后通过平均的方式减少由于影像观察不准带来的误差，使得测量获得的重力加速度g的数值更准确。

在本申请中，由于演示支架100的高度不能超过教室的高度，因而小球下落的时间很短，手机影像的清晰度会严重影响测量的精度，因此设置照明灯箱20可以避免室内光线不足、影像不清楚的缺陷。另外，设置轻质对照球42，可以非常直观的观察到，当铁球41下落到底的时候，轻质对照球42尚未落地，表明当空气阻力与小球重量的比值过大的情况下，空气阻力是不可忽略的，不能用轻质对照球42的影像计算重力加速度。反之，铁球41的重量远大于空气阻力，因而可以忽略空气阻力不计，用以计算的重力加速度的数值是接近精确值的。

在一个具体实施例中，为了避免铁球41砸坏底座10，优选底座10的上方设置有缓冲海绵垫60，缓冲海绵垫60位于电磁铁40的正下方，如图所示。

进一步地，为了便于聚焦获得清晰的影像，优选平板电脑200设置在照明灯箱20的高度方向的中间位置，手机300设置在与平板电脑200大致等高的位置。进一步地，优选手机300与平板电脑200下方均设置有支撑架70，用以通过支撑架70保持手机300与平板电脑200大致等高。

另外，为了避免地面不平演示支架100放置不平稳，优选在底座10的下方设置支撑脚80。

本申请的演示教具不仅成本低，可以使用人人都有的手机进行拍摄方便且廉价，更重要的是可以立刻得到并处理数据，特别适合于在课堂上即时教学演示。通过手机的摄影功能测量下落小球的距离以及记录下落时间，可以较为精确获得重力加速度的大小，有利于学生直观掌握知识点。

本领域技术人员应当理解，虽然本实用新型是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本实用新型的保护范围。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本实用新型保护的范围。