自制全封闭轨道小车系统.pdf

SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期自制教具自制全封闭轨道小车系统朱新培（江西兴国平川中学，江西赣州 342400）摘要：力学轨道小车是中学物理实验教学中常用的仪器，但传统的轨道是平板式的，当小车在平板上面滑行时存在问题，直接影响实验效果。有鉴于此，利用顶装式铝合金材质的窗帘轨道等材料，设计并制作全封闭悬挂式小车和相关控制机构，克服传统轨道小车的不足，既能减少实验误差，又能提高测量速度和加速度实验的效率。关键词：力学；轨道小车；封闭轨道；悬挂小车；测速度；加速度DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.07.026在中学物理实验教学中，力学轨道小车需要与电磁打点计时器或电火花计时器配套使用，是供学生进行运动学和动力学分组实验的仪器，一般由轨道、小车、滑轮、小桶、捕获装置等组成。该力学轨道小车因其存在的固有问题影响教学效果，笔者在分析问题的基础上，利用顶装式铝合金材质的窗帘轨道等材料，设计并制作了一套全封闭轨道小车系统。1常规力学轨道小车存在的问题据笔者了解，常规力学轨道小车普遍存在着以下几个问题。（1）轨道的直线度和两轨间的平行度不够理想，导致小车运行时不稳定，容易偏移，甚至倾覆。（2）小车的车轮以及滑轮的摩擦力太大或摩擦不稳定。摩擦力太大，导致采用阻力补偿法平衡摩擦力时，轨道尾端要垫得很高才能平衡好摩擦力；摩擦不稳定，导致加速度不稳定，直接影响到测量精度。（3）轨道的长度不符合要求。有的力学轨道长120 cm，当小桶落到地面后，后面纸带还会打出30 cm的无效点，既容易产生误差，又会造成浪费；有的力学轨道长80 cm，纸带的长度就不可能太长，排除纸带两端不准确的点后，纸带中间打点的有效长度不能满足实验需要，影响实验结果。（4）没有固定轨道的装置。力学轨道直接放在实验台上，若没有固定装置，则小车运动时不能保证轨道的稳固，这会给实验结果带来一定的误差；当小车到达轨道末端时，其对末端挡板产生的撞击会使整个仪器向前窜动，这也是实验过程中应该避免的现象1。2设计思路基于常规力学轨道小车存在的不足，笔者在设计时从以下3个方面进行改进。（1）提高安全性和稳定性。笔者设计的全封闭轨道小车系统，可以让小车在完全封闭且非常平滑的轨道内运行，同时末端安装有缓冲海绵，便于控制小车，不会偏轨、不会掉落、摩擦力较小、运行稳定。（2）扩展轨道小车的功能，丰富测量手段。整合开发出利用打点计时器、光电门数字计时器、位移传感器及力传感器测量小车速度、加速度以及受力的方法。（3）提高实验操作的可控性、简便性和高效性。给前端支架、后端支架、铝合金轨道和小车车体都设计了方便安装、调试、操作，可扩展功能的构件，能有效提高实验效率、减少实验误差和丰富实验的测量手段，有利于培养学生的实验能力。3设计结构全封闭轨道小车系统的设计结构由以下 4 个部分构成。（1）小车系统。如图1所示，主体部分是由3个圆孔（用于存放配重砝码，同时还配有便于安装位移传感器的强磁吸盘）构成的车体，在其前端接细线，并设有安插挡光片的插槽；两侧安装有4个悬挂式车轮，采用的是顶装式铝合金窗帘轨道的配套滑轮，能完美地与轨道底槽卡在一起；后端设计有纸带卡槽和卡扣装置，且在小车底部右后方还开有与插销开关匹配的凹槽。702023 年第7期自制教具纸带卡槽悬置车轮挡光片插槽载物大圆孔图1悬挂式车体（2）轨道。轨道是由两根长90 cm且互相平行的顶装式铝合金材质的窗帘轨道组成，它们的开口朝下并安装在前后两端的支架上。小车的4个滑轮被卡在轨道的底槽上，既能平滑地运行，又能稳稳地被限制在导轨内而不会偏移。导轨上面还粘贴有方便测量长度的毫米刻度尺。（3）前端支架。如图 2 所示，前端支架主要由基座、定滑轮支架以及用于固定力传感器的延伸支架组成。同时，在前端支架的基座后面还安装有缓冲海绵，能有效减缓小车所带来的冲击力。（4）后端支架。如图3所示，后端支架包括基座、用于安装打点计时器的支架平台，以及用于控制小车释放的插销开关装置。此外，基座附近还配有用于平衡摩擦力的升降旋钮。定滑轮缓冲海绵延伸支架支架平台升降旋钮插销开关图2前端支架图3后端支架4设计说明（1）把前后端支架都安装在木质底板上，各个部件组装完成后的效果如图4所示。支架平台 悬挂小车铝合金轨道缓冲海绵延伸支架插销开关升降旋钮图4全封闭轨道小车系统（2）实验时，先调节后端支架基座两侧的升降旋钮，平衡好摩擦力，再把小车停在轨道末端，用插销扣住；连接小车前端的细绳并跨过定滑轮，挂上钩码；作好其他准备工作后，按下插销，释放小车，小车就会在细绳拉力的作用下加速运动；当小车碰上前端支架背面的缓冲海绵时，迅速停下，这样就完成了一次测量。5使用方法（1）在打点计时器打纸带测量前，先用大号燕尾夹将打点计时器固定在后端支架的平台上，再将纸带穿过打点计时器限位孔并插入小车后面的卡纸槽。随后，即可按照“压下卡扣压紧纸带接通打点计时器开关按下插销释放小车”的步骤操作，轻松地完成一次测量。（2）采用光电门测量的操作：先将光电门支架卡在导轨的任意位置，再把数据线接上数字计时系统；打开光电数字计时系统电源开关，把小车停在轨道末端；给车上圆筒内加入适量配重物，用插销扣住小车，前端插上挡光片，连接小车前端的细绳并跨过定滑轮，挂上钩码，就可以进行实验操作了。（3）当用DIS数字实验系统中的位移传感器进行测量时，位移传感器的发射器被强磁吸盘所固定，而接收器被固定在后端支架平台上，力传感器直接卡在前端支架的延伸支架上。先将2只传感器与数字采集器相连，再连接计算机；将细绳跨过定滑轮，一端连接小车，另一端连接力传感器；给动滑轮挂上钩码。至此完成实验准备，只要按下插销，释放小车，就可以完成一次测量。6结语（1）全封闭轨道小车系统具备结构简单、易于操作、性能稳定、安全可靠、外形美观、便于携带等优点，能够保证小车在完全封闭状态下在轨道内运行，既不会偏移，也不会出轨，更不会从两端翻出。（2）设计了插销开关、圆筒、卡纸槽、延伸支架等配件，实验测量手段具有很好的拓展性。（3）在分组实验中，学生能够快速高效、安全稳定地进行或重复实验，提高了实验操作的效率，减少了实验误差。（4）在一个课时内，学生能完成探究加速度与力、质量的关系，探究物体动能变化与力做功的关系等分组实验，具有很好的推广价值。参考文献1 马 啬.力学轨道小车 J.中国教育技术装备，2001（4）：31-32.71