一种双纸锥下落演示实验系统及其实验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双纸锥下落演示实验系统及其实验方法，包括固定板，纸锥，无线距离测量系统以及数据处理平台；在演示架的顶端左右两侧分别安装有结构相同的固定机构，固定结构包括固定板和电磁铁，电磁铁固定于固定板的边缘；纸锥的锥底边缘处安装有铁片；无线距离测量系统测量纸锥锥角处距离固定板的距离数据并将此测量时刻和距离数据传送至数据处理平台；数据处理平台根据测量时刻和距离数据计算获得纸锥的速度和相对于地面的距离。本发明专利技术简化了实验过程和提高了实验感性认识；此实验演示架引入了两纸锥的对比实验，使得实验现象更加生动明晰，在实际教学中具有很好的演示效果。

An experimental system and method for demonstrating the falling of two paper cones

【技术实现步骤摘要】
一种双纸锥下落演示实验系统及其实验方法
本专利技术涉及物理实验教学与演示
，具体涉及一种双纸锥下落演示实验系统。
技术介绍
初中物理苏科版8年级上册“速度”一节中设有探究活动“比较纸锥下落的快慢”，纸锥相较于纸片下落时能较好地保持直线运动状态，并且下落较慢时间可测，因此，教材中选择了纸锥作为比较运动快慢的研究对象，在传统的实验教学中，实验依靠直尺、纸锥(复印纸)、秒表等实验器材，通过人为的对纸锥进行释放并对下落过程中纸锥位移进行测量，采用相同路程对比时间长短来探究影响纸锥下落快慢的因素。传统纸锥下落实验的误差来源有多个方面：(1)制作过程中的误差；(2)测量高度的误差；(3)测量时间中反应时间带来的误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种双纸锥下落演示实验系统，解决传统纸锥下落实验存在的误差大，过程繁琐，重复性差，后期数据处理工作量较大的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种双纸锥下落演示实验系统，其特征是，包括固定板，纸锥，无线距离测量系统以及数据处理平台；在演示架的顶端左右两侧分别安装有结构相同的固定机构，固定结构包括固定板和电磁铁，电磁铁固定于固定板的边缘处；纸锥的锥底边缘处安装有铁片；无线距离测量系统固定于纸锥上且靠近锥角处，用于测量纸锥锥角处距离固定板的距离数据并将此测量时刻和距离数据传送至数据处理平台；数据处理平台，用于根据测量时刻和距离数据，获得纸锥的速度和距离。进一步的，固定机构还包括液压杆，液压杆的固定端固定于演示架上，液压杆的伸缩端固定于固定板上以使固定板能够向内收缩靠近演示架或向侧边展开远离演示架。进一步的，演示架包括基座和竖直安装在基座上的支撑架。进一步的，电磁铁设置为至少两个，各个电磁铁沿固定板边缘分布。进一步的，各个电磁铁并联后通过开关连接供电电源。进一步的，纸锥的锥底边缘缠绕有铁丝。相应的，本专利技术提供了根据上述一种双纸锥下落演示实验系统的实验方法，其特征是，包括以下步骤：实验初始时，将电磁铁通电使其具有磁性，将两个纸锥的铁片分别与电磁铁相吸使得两个纸锥分别固定于固定板上，且两个纸锥的锥角处处于同一水平高度；实验开始时，将电磁铁同时断电，两个纸锥分别自由下落；同时无线距离测量系统定时测量纸锥锥角处距离固定板的距离数据并将此测量时刻和距离数据传送至数据处理平台；数据处理平台根据测量时刻和距离数据计算获得纸锥的速度和距离。进一步的，数据处理平台根据测量时刻和距离数据计算获得纸锥的速度和距离的过程为：1)根据无线距离测量系统的采样周期，按照下列速度求解公式计算纸锥下落过程中的速度；其中，vn为第n次测量时刻的速度，xn为第n次测量时刻的距离，xn-1为第n-1次测量时刻的距离，△t为无线距离测量系统的采样周期；2)根据以下公式计算纸锥下落时的理论速度：其中k为阻力系数，m为纸锥质量，t为下落时间，g为重力加速度，v为纸锥的速度；通过下式建立理论速度误差区间：其中v(n)min和v(n)max为理论第n次测量时刻的理论速度的最大值和最小值，t0为单次测量的理论时间；最小值和最大值构成理论速度误差区间；3)根据建立的速度理论最大值和理论最小值，通过下列不等式对实验数据求解得到的纸锥下落速度进行筛选：v(n)min≤vn≤v(n)max其中v(n)min和v(n)max为理论第n次测量时刻的理论速度的最大值和最小值，vn为第n次测量时刻的速度；对在误差区间之外的实验速度用该时刻的理论速度进行替代；4)按照下式重新计算纸锥从开始下落到落地时刻的相对于固定板的距离数据：xn＝xn-1+vnΔt其中xn为第n次测量时刻相对于固定板的距离，xn-1为第n-1次测量时刻相对于固定板的距离，vn为第n次测量时刻的速度，Δt为单片机定时器测量得到两次距离测量的时间差。进一步的，还包括步骤5)，根据上方固定板相距地面的距离和纸锥下落过程相对于上方固定板的距离信息，通过两者做差求得纸锥在下落过程中相对于地面的距离曲线：dn＝H-xn其中dn为第n次测量时刻的纸锥相对于地面的距离，H为两个纸锥锥尖相对于地面的距离，xn为第n次测量时刻纸锥相对于固定板的距离。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：本专利技术解决了传统纸锥下落实验中存在的实验误差，在确保实验过程科学性的基础上，进一步简化了实验过程和提高了实验感性认识；此实验演示架引入了两纸锥的对比实验，使得实验现象更加生动明晰，在实际教学中具有很好的演示效果。附图说明图1是本专利技术中演示实验系统的结构示意图；图2是本专利技术的原理示意图；图3是本专利技术中纸锥的结构示意图；图4是本专利技术实例中两个纸锥的位移曲线和速度曲线示意图。附图标记：1、演示架；11、基座；12、支撑架；2、固定板；3、电磁铁；4、液压杆；5、纸锥；6、铁片；7、无线距离测量系统。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本专利技术的一种双纸锥下落演示实验系统包括演示架1，包括固定板2，纸锥5，无线距离测量系统7以及数据处理平台；在演示架1的顶端左右两侧分别安装有结构相同的固定机构，固定结构包括固定板2和电磁铁3，电磁铁3固定于固定板2的边缘上；此固定机构也可以是可折叠的机构，即还包括液压杆4，液压杆4的固定端固定于演示架1上，液压杆4的伸缩端固定于固定板2上以使固定板2能够向内收缩靠近演示架1或向侧边展开远离演示架1；纸锥5的锥底边缘处安装有铁片6；实验初始时利用铁片6与电磁铁3之间的吸引力来将纸锥5固定在固定板2上；无线距离测量系统7固定于纸锥5上且靠近锥角处，用于测量纸锥锥角处距离固定板的距离数据并将此测量时刻和距离数据传送至数据处理平台；数据处理平台，用于根据测量时刻和距离数据，计算获得纸锥的速度和距离。实施例本专利技术实施例的一种双纸锥下落演示实验系统，参见图1所示，具体包括：演示架1，固定板2，数据处理平台，纸锥5以及无线距离测量系统7。演示架1包括基座11和竖直安装在基座11上的支撑架12，参见图1所示，基座11具体由4根长为0.4m的铝型材和一根长为0.6m的铝型材组成的工字形底座，支撑架12包括对称设置的两个，每个支撑架12由竖直安装在基座上两根长度为1m的铝型材构成，用铝合金槽条沿铝型材内部槽型对两根1m铝型材进行连接构成2m的支撑架，通过铝合金槽条实现了上下两部分的分离，以此实现了演示架的可拆卸性。为了提高结构的稳定性，在两根竖直平行的铝型材间加入长度为0.5m的铝型材，以使支撑架呈工字形稳定结构。两根竖直平行的铝型材(支撑架)顶端左右两侧分别安装有结构相同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双纸锥下落演示实验系统，其特征是，包括固定板，纸锥，无线距离测量系统以及数据处理平台；/n在演示架的顶端左右两侧分别安装有结构相同的固定机构，固定结构包括固定板和电磁铁，电磁铁固定于固定板的边缘处；/n纸锥的锥底边缘处安装有铁片；/n无线距离测量系统固定于纸锥上且靠近锥角处，用于测量纸锥锥角处距离固定板的距离数据并将此测量时刻和距离数据传送至数据处理平台；/n数据处理平台，用于根据测量时刻和距离数据，获得纸锥的速度和距离。/n

【技术特征摘要】
1.一种双纸锥下落演示实验系统，其特征是，包括固定板，纸锥，无线距离测量系统以及数据处理平台；
在演示架的顶端左右两侧分别安装有结构相同的固定机构，固定结构包括固定板和电磁铁，电磁铁固定于固定板的边缘处；
纸锥的锥底边缘处安装有铁片；
无线距离测量系统固定于纸锥上且靠近锥角处，用于测量纸锥锥角处距离固定板的距离数据并将此测量时刻和距离数据传送至数据处理平台；
数据处理平台，用于根据测量时刻和距离数据，获得纸锥的速度和距离。


2.根据权利要求1所述的一种双纸锥下落演示实验系统，其特征是，固定机构还包括液压杆，液压杆的固定端固定于演示架上，液压杆的伸缩端固定于固定板上以使固定板能够向内收缩靠近演示架或向侧边展开远离演示架。


3.根据权利要求1所述的一种双纸锥下落演示实验系统，其特征是，演示架包括基座和竖直安装在基座上的支撑架。


4.根据权利要求1所述的一种双纸锥下落演示实验系统，其特征是，电磁铁设置为至少两个，各个电磁铁沿固定板边缘分布。


5.根据权利要求1所述的一种双纸锥下落演示实验系统，其特征是，各个电磁铁并联后通过开关连接供电电源。


6.根据权利要求1所述的一种双纸锥下落演示实验系统，其特征是，纸锥的锥底边缘缠绕有铁丝。


7.根据权利要求1-6任一项所述一种双纸锥下落演示实验系统的实验方法，其特征是，包括以下步骤：
实验初始时，将电磁铁通电使其具有磁性，将两个纸锥的铁片分别与电磁铁相吸使得两个纸锥分别固定于固定板上，且两个纸锥的锥角处处于同一水平高度；
实验开始时，将电磁铁同时断电，两个纸锥分别自由下落；同时定时测量纸锥锥角处距离固定板的距离数据；根据测量时刻和距离数据计算获得纸锥的速度和距离。


8.根据权利要求7所述的实验方法，其特征是，根...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐德程，汤金波，杨吉多才，
申请(专利权)人：汤金波，
类型：发明
国别省市：江苏;32