一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪的制作方法

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1.本实用新型涉及物理实验仪技术领域，具体的涉及一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪。

背景技术：

2.高中不仅要学习物理知识，更重要的要提高学习物理知识和应用物理知识的能力，高中物理主要是学会观察，理解物理原理，并学会一些常用的物理研究的方法，在高中物理教学中，许多情况下要做演示实验，通过物理演示实验验证才能较好让学生理解物理原理，使理论联系实际，引起学生学习兴趣，引导学生发掘问题，激发其求知欲望，从而调动他们学好物理的主动性和积极性，引导他们热爱科学。
3.在高中物理实验中，物体的匀变速直线运动、自由落体运动、动能定理以及机械能守恒定律都是必做的实验，在现有的实验中，常采用小车、斜面、纸带、铁架台、打点计时器、c型夹、重锤、交流电源和刻度尺，进行机械能守恒定律等实验，然而，现有的实验步骤较为繁琐，以及在实验过程中，会有较多的阻力影响最终的实验数据，如空气阻力，纸带与打点计时器之间的摩擦阻力等。

技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是提供一种整体结构新颖、实用，操作简单、便捷，可有效减小阻力对实验结果的影响，可演示探究多个物理力学实验的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，包括实验管、抽气泵、连接块、金属滚珠、单片机、显示屏、电源模块和电源开关，实验管内设有贯穿两端的内腔，金属滚珠可移动的设于内腔中，实验管的下端穿过连接块并与连接块固定连接，连接块内设有空腔，实验管上设有通孔并使内腔与空腔相通，抽气泵固定安装于连接块上并使抽气泵的抽气口与空腔相通，实验管沿其长度方向间隔设有多个环形接近开关，实验管的上端开口处固定安装有电磁铁，电磁铁通过控制开关与电源模块电性连接，实验管的下端开口处可拆卸的连接有封盖，电源模块还用于对单片机、显示屏和环形接近开关进行供电，电源模块、显示屏和环形接近开关均与单片机电性连接。
6.进一步的，还包括底座和伸缩支撑杆，电源模块和单片机均设于底座的容纳腔内，显示屏、电源开关和控制开关均安装于底座的一侧表面上，底座上端一侧固定设有间隔设置的两个支撑板，连接块设于两个支撑板之间并与支撑板可转动的连接，伸缩支撑杆下端与底座上端另一侧相铰接，伸缩支撑杆上端与第一固定环相铰接，第一固定环固定设于实验管上端。
7.进一步的，伸缩支撑杆包括支撑外杆、支撑内杆和锁紧旋钮，支撑内杆可移动的套设于支撑外杆内，支撑外杆上螺纹连接有锁紧旋钮，锁紧旋钮端部可与支撑内杆外表面相
抵接。
8.进一步的，还包括角度刻度盘，角度刻度盘固定安装于支撑板上，实验管外表面设有标识线。
9.进一步的，实验管下端固定设有第二固定环，第二固定环与支撑板之间设有限位组件，限位组件用于对实验管的转动起到限位作用并可使其处于竖直状态，限位组件包括限位块和限位槽，限位块固定设于第二固定环上，限位槽呈弧形状，限位槽设于支撑板上并贯穿支撑板的一侧端面，限位块可分离的卡设于限位槽内。
10.进一步的，封盖外表面设有外螺纹，实验管下端开口内表面设有与外螺纹相适配的内螺纹，封盖与实验管螺纹连接且二者之间连接处还设有硅胶密封垫。
11.进一步的，封盖上设有透气孔，透气孔处可分离的设有堵头，封盖上还固定连接有设于内腔中的缓冲垫，缓冲垫呈圆环状。
12.进一步的，还包括物联网模块，物联网模块和单片机电性连接，电源模块还用于对物联网模块进行供电。
13.进一步的，环形接近开关的数量为两个。
14.进一步的，实验管采用透明材质制作而成，电源模块为锂电池。
15.由上述描述可知，本实用新型提供的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪整体结构新颖、实用，通过实验管和金属滚珠的设置，金属滚珠与实验管之间的摩擦为滚动摩擦，其摩擦阻力相对较小，可有效减小摩擦阻力对实验的影响；通过抽气泵的设置，可将实验管内腔中的空气尽可能的抽出，从而使得内腔尽可能的处于真空状态，从而有效减小空气阻力对实验的影响；通过电磁铁的设置，可有效降低因人为释放金属滚珠对实验所带来的人为因素的影响；通过环形接近开关、显示屏和单片机的设置，环形接近开关可测出金属滚珠经过时的时间，从而可换算成相应的速度，也可测出金属滚珠经过相邻两个环形接近开关所用的时间，可方便测量出相邻两个环形接近开关之间的距离，从而可实验探究匀变速直线运动的规律、自由落体运动的规律、动能定理、机械能守恒定律等；通过底座和支撑伸缩杆的设置，便于对实验管进行支撑固定，可直接将该多功能实验仪放置在桌面上，无需手持着实验管进行实验，方便做实验，同时可方便调整实验管的倾斜角度。
附图说明
16.图1为本实用新型一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪的立体结构示意图。
17.图2为图1中a处的局部放大示意图。
18.图3为图1中b处的局部放大示意图。
19.图4为本实用新型一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪的左视图。
20.图5为图4中c-c方向的剖面示意图。
21.图6为图5中d处的局部放大示意图。
22.图7为图5中e处的局部放大示意图。
23.图8为支撑板的立体结构示意图。
24.图9为本实用新型一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪的实验管处于收纳时的状态示意图。
25.图10为本实用新型一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪的实验管处于竖直时的状态示意图。
26.图11为本实用新型一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪的控制原理图。
27.图中：1-实验管；11-内腔；12-通孔；13-第一固定环；14-标识线；15-第二固定环；151-限位块；2-抽气泵；3-连接块；31-空腔；4-金属滚珠；51-单片机；52-显示屏；53-电源模块；54-电源开关；55-环形接近开关；56-电磁铁；57-控制开关；58-物联网模块；6-封盖；61-硅胶密封垫；62-透气孔；63-堵头；64-缓冲垫；7-底座；71-容纳腔；72-支撑板；721-限位槽；8-伸缩支撑杆；81-支撑外杆；82-支撑内杆；83-锁紧旋钮；9-角度刻度盘。
具体实施方式
28.以下通过具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。
29.如图1至图11所示，本实用新型所述的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，包括实验管1、抽气泵2、连接块3、金属滚珠4、单片机5、显示屏52、电源模块53和电源开关54，所述实验管1内设有贯穿两端的内腔11，所述金属滚珠4可移动的设于所述内腔11中，所述实验管1的下端穿过所述连接块3并与所述连接块3固定连接，所述连接块3内设有空腔31，所述实验管1上设有通孔12并使所述内腔11与所述空腔31相通，所述抽气泵2固定安装于所述连接块3上并使所述抽气泵2的抽气口与所述空腔31相通，所述实验管1沿其长度方向间隔设有多个环形接近开关55，所述实验管1的上端开口处固定安装有电磁铁56，所述电磁铁56通过控制开关57与所述电源模块53电性连接，所述实验管1的下端开口处可拆卸的连接有封盖6，所述电源模块53还用于对所述单片机5、所述显示屏52和所述环形接近开关55进行供电，所述电源模块53、所述显示屏52和所述环形接近开关55均与所述单片机5电性连接。
30.通过所述实验管1和所述金属滚珠4的设置，所述金属滚珠4与所述实验管1之间的摩擦为滚动摩擦，其摩擦阻力相对较小，可有效减小摩擦阻力对实验的影响；通过所述抽气泵2的设置，可将所述实验管1内腔11中的空气尽可能的抽出，从而使得所述内腔11尽可能的处于真空状态，从而有效减小空气阻力对实验的影响；通过所述电磁铁56的设置，可有效降低因人为释放所述金属滚珠4对实验所带来的人为因素的影响；通过所述环形接近开关55、所述显示屏52和所述单片机5的设置，所述环形接近开关55可测出所述金属滚珠4经过时的时间，从而可换算成相应的速度，也可测出所述金属滚珠4经过相邻两个所述环形接近开关55所用的时间，可方便测量出相邻两个所述环形接近开关55之间的距离，从而可实验探究匀变速直线运动的规律、自由落体运动的规律、动能定理、机械能守恒定律等。
31.此外，所述电源模块53为锂电池，所述单片机5可选用arduino uno开发板，所述显示屏52可选用lcd1602液晶屏，所述电磁铁56可选用吸盘式电磁铁，所述环形接近开关55可选用teopto的l系列电感式环形接近开关，另外，所述抽气泵2也可直接选用市场上已有的产品。
32.如图1和图5所示，该多功能实验仪还包括底座7和伸缩支撑杆8，所述电源模块53和所述单片机5均设于所述底座7的容纳腔71内，所述显示屏52、所述电源开关54和所述控制开关57均安装于所述底座7的一侧表面上，所述底座7上端一侧固定设有间隔设置的两个支撑板72，所述连接块3设于两个所述支撑板72之间并与所述支撑板72可转动的连接，所述
伸缩支撑杆8下端与所述底座7上端另一侧相铰接，所述伸缩支撑杆8上端与第一固定环13相铰接，所述第一固定环13固定设于所述实验管1上端，通过采用此结构，便于对所述实验管1进行支撑固定，可直接将该多功能实验仪放置在桌面上，无需手持着所述实验管1进行实验，方便做实验，同时可方便调整所述实验管1的倾斜角度。
33.如图3所示，所述伸缩支撑杆8包括支撑外杆81、支撑内杆82和锁紧旋钮83，所述支撑内杆82可移动的套设于所述支撑外杆81内，所述支撑外杆81上螺纹连接有所述锁紧旋钮83，所述锁紧旋钮83端部可与所述支撑内杆82外表面相抵接，通过采用此结构，当需要调整所述实验管1的倾斜角度时，首先旋松所述锁紧旋钮83，然后使所述伸缩支撑杆8进行伸缩从而带动所述实验管1进行转动，当所述实验管1转动至合适角度后，可旋紧所述锁紧旋钮83，对所述伸缩支撑杆8的伸缩进行锁定从而可使所述实验管1稳定处于相应的倾斜角度。
34.如图2所示，该多功能实验仪还包括角度刻度盘9，所述角度刻度盘9固定安装于所述支撑板72上，所述实验管1外表面设有标识线14，通过采用此结构，可方便快速的将所述实验管1调节至所需的倾斜角度。
35.如图2和图8所示，所述实验管1下端固定设有第二固定环15，所述第二固定环15与所述支撑板72之间设有限位组件，所述限位组件用于对所述实验管1的转动起到限位作用并可使其处于竖直状态，所述限位组件包括限位块151和限位槽721，所述限位块151固定设于所述第二固定环15上，所述限位槽721呈弧形状，所述限位槽721设于所述支撑板72上并贯穿所述支撑板72的一侧端面，所述限位块151可分离的卡设于所述限位槽721内，通过采用此结构，可确保所述实验管1快速准确的转动至竖直状态。
36.如图6所示，所述封盖6外表面设有外螺纹，所述实验管1下端开口内表面设有与所述外螺纹相适配的内螺纹，通过采用此结构，可方便所述封盖6与所述实验管1之间的快速拆装，所述封盖6与所述实验管1螺纹连接且二者之间连接处还设有硅胶密封垫61，从而确保二者连接之后的密封效果。
37.如图6所示，所述封盖6上设有透气孔62，所述透气孔62处可分离的设有堵头63，所述堵头63可选用硅胶材质制作而成，当所述实验管1内处于接近真空状态且需要取下所述封盖6时，首先可将所述堵头63从所述透气孔62处进行分离，使得空气从所述透气孔62进入所述实验管1的内腔11中，此时，即可取下所述封盖6，所述封盖6上还固定连接有设于所述内腔11中的缓冲垫64，所述缓冲垫64呈圆环状，所述缓冲垫64可选用橡胶材质制作而成，通过所述缓冲垫64的设置，在实验过程中，可对下落的所述金属滚珠4起到一定的缓冲作用，避免对所述封盖6造成较大的冲击。
38.如图5和图11所示，该多功能实验仪还包括物联网模块58，所述物联网模块58和所述单片机51电性连接，所述电源模块53还用于对所述物联网模块58进行供电，通过所述物联网模块58的设置，这样可以让所述单片机51连接上物联网，该多功能实验仪可以把所测的数据发送到物联网平台上，通过物联网平台进行数据的分析和处理，为远程教育的实验探究提供便利，同时有利于线上课程实验数据的及时共享，此外，所述物联网模块58可安装于所述底座7的容纳腔71内，所述物联网模块58可选用dfrobot obloq模块，obloq是一款基于esp8266设计的串口转wifi物联网模块，用以接收和发送物联网信息。
39.优选的，所述环形接近开关55的数量为两个，在具体的实验的中，可方便调节所述环形接近开关55的安装位置，从而改变两个所述环形接近开关55之间的距离，当然，在其它
实施例中，为了多测几组数据，所述环形接近开关55的数量也可以是三个或四个。
40.所述实验管1采用透明材质制作而成，所述透明材质可选用透明塑料，通过将所述实验管1设置成透明状，便于实验者直接观察金属滚珠4在所述实验管1内的滚动情况。
41.本实用新型所述的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪的使用方法如下：
42.当实验探究匀变速直线运动的规律和动能定理时：
43.准备工作，该多功能实验仪的初始状态为收纳时的状态，如图9所示，此时，实验管1的上端低于实验管1的下端，金属滚珠4因为重力将滚至低处并处于所述实验管1的上端，然后，按下电源开关54，并使该多功能实验仪通电，然后按下控制开关57使得电磁铁56得电并吸住所述金属滚珠4，然后旋松锁紧旋钮83，并使伸缩支撑杆8伸长从而调整所述实验管1至合适倾斜角度θ，如图5所示，然后再旋紧锁紧旋钮83，对所述伸缩支撑杆8进行固定，从而使得所述实验管1处于稳定位置，(另注，当需要重复进行多次实验时，需要将所述实验管1的角度调整至收纳时的状态，使得所述金属滚珠4因为自重重新滚回至所述实验管1的上端，并通过所述电磁铁56吸住，然后，再重新将所述实验管1调整至相应的倾斜角度)，通过抽气泵2抽出所述实验管1内腔11中的空气，并尽量使得所述实验管1内腔11处于真空状态，尽量减少空气阻力对金属滚珠4的影响，实验时，可再次按下所述控制开关57使得所述电磁铁56失电，此时，所述金属滚珠4因为自身重力可沿着所述实验管1内腔11内壁向下滚动并依次经过两个环形接近开关55，可分别测量出金属滚珠4经过每个所述环形接近开关55的时间t1及t2，以及金属滚珠4经过两个所述环形接近开关55所用的时间t，且由于所述环形接近开关55的厚度d可利用游标卡尺测出，由此可算出所述金属滚珠4经过每个所述环形接近开关55的速度，所述金属滚珠4经过第一个所述环形接近开关55的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，即所述金属滚珠4经过第二个所述环形接近开关55的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，即当然这个厚度d可提前测出并录入所述单片机5中，并由所述单片机5进行自动换算并在所述显示屏52上进行显示，此外，可利用直尺测出两个所述环形接近开关55之间的中心距s，所述金属滚珠4的质量m也可以由相应仪器测出：
44.一、验证匀变速直线运动的规律：
45.根据公式:由于t、v1、v2均为已知值,由此可算出加速度a的值，然后改变第二所述环形接近开关55的安装位置，从而改变两个所述环形接近开关55之间的距离，然后如此重复实验，多测几组t、v1、v2的值，由此，便可计算出几个加速度a的值，若几个加速度a的值在实验误差范围内是相同的，便验证了匀变速直线运动的规律。
46.二、验证动能定理：
47.合外力对所述金属滚珠4在两个所述环形接近开关55间运动所做的功为w
外
＝mgsinθs，由于m、g、θ、s均为已知值，从而可算出合外力所做的功，(注：由于采用金属滚珠4进行该实验，而所述金属滚珠4在所述实验管1内的滚动摩擦非常小，该摩擦阻力可忽略不计)，所述金属滚珠4在两个所述环形接近开关55间运动时动能的增加量为由于m、v1、v2均为已知值，从而可算出动能的增加量，若在实验误
差范围内w
外
＝δek，便验证了动能定理。
48.当实验探究机械能守恒定律和自由落体运动的规律时：
49.需要将所述实验管1调整至竖直状态，如图10所示，所述金属滚珠4在所述实验管1内下落时只受重力，且其开始下落时是静止的，即初速度为0，其余操作步骤与上述实验相同，同样可以得出所述金属滚珠4经过第一个所述环形接近开关55的速度v1，所述金属滚珠4经过第二个所述环形接近开关55的速度v2，以及两个所述环形接近开关55之间的中心距s；
50.一、验证机械能守恒定律：
51.所述金属滚珠4在两个所述环形接近开关55间运动时重力势能的减少量为：δe
p
＝mgh，此处h＝s，由于m、g、s均为已知值，从而可算出重力势能的减少量，所述金属滚珠4在两个所述环形接近开关55间运动时动能的增加量为：由于m、v1、v2均为已知值，从而可算出动能的增加量，若在实验误差范围内δe
p
＝δek，便验证了机械能守恒定律。
52.二、验证自由落体运动的规律：
53.根据速度位移公式：由于v1、v2、s均为已知值，由此可算出加速度a的值，已知重力加速度g的值，若在实验误差范围内a＝g，便可验证自由落体运动，此外，可改变第二所述环形接近开关55的安装位置，从而改变两个所述环形接近开关55之间的距离，然后如此重复实验，多测几组s、v1、v2的值,从而算出多组加速度a的值，以进一步验证实验的准确性。
54.此外，也可根据公式:由于t、v1、v2均为已知值,由此算出加速度a的值。
55.上述仅为本实用新型的若干具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。

技术特征：

1.一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，其特征在于：包括实验管、抽气泵、连接块、金属滚珠、单片机、显示屏、电源模块和电源开关，所述电源模块与所述电源开关电性连接，所述实验管内设有贯穿两端的内腔，所述金属滚珠可移动的设于所述内腔中，所述实验管的下端穿过所述连接块并与所述连接块固定连接，所述连接块内设有空腔，所述实验管上设有通孔并使所述内腔与所述空腔相通，所述抽气泵固定安装于所述连接块上并使所述抽气泵的抽气口与所述空腔相通，所述实验管沿其长度方向间隔设有多个环形接近开关，所述实验管的上端开口处固定安装有电磁铁，所述电磁铁通过控制开关与所述电源模块电性连接，所述实验管的下端开口处可拆卸的连接有封盖，所述电源模块还用于对所述单片机、所述显示屏和所述环形接近开关进行供电，所述电源模块、所述显示屏和所述环形接近开关均与所述单片机电性连接。2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，其特征在于：还包括底座和伸缩支撑杆，所述电源模块和所述单片机均设于所述底座的容纳腔内，所述显示屏、所述电源开关和所述控制开关均安装于所述底座的一侧表面上，所述底座上端一侧固定设有间隔设置的两个支撑板，所述连接块设于两个所述支撑板之间并与所述支撑板可转动的连接，所述伸缩支撑杆下端与所述底座上端另一侧相铰接，所述伸缩支撑杆上端与第一固定环相铰接，所述第一固定环固定设于所述实验管上端。3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，其特征在于：所述伸缩支撑杆包括支撑外杆、支撑内杆和锁紧旋钮，所述支撑内杆可移动的套设于所述支撑外杆内，所述支撑外杆上螺纹连接有所述锁紧旋钮，所述锁紧旋钮端部可与所述支撑内杆外表面相抵接。4.根据权利要求2所述的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，其特征在于：还包括角度刻度盘，所述角度刻度盘固定安装于所述支撑板上，所述实验管外表面设有标识线。5.根据权利要求2所述的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，其特征在于：所述实验管下端固定设有第二固定环，所述第二固定环与所述支撑板之间设有限位组件，所述限位组件用于对所述实验管的转动起到限位作用并可使其处于竖直状态，所述限位组件包括限位块和限位槽，所述限位块固定设于所述第二固定环上，所述限位槽呈弧形状，所述限位槽设于所述支撑板上并贯穿所述支撑板的一侧端面，所述限位块可分离的卡设于所述限位槽内。6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，其特征在于：所述封盖外表面设有外螺纹，所述实验管下端开口内表面设有与所述外螺纹相适配的内螺纹，所述封盖与所述实验管螺纹连接且二者之间连接处还设有硅胶密封垫。7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，其特征在于：所述封盖上设有透气孔，所述透气孔处可分离的设有堵头，所述封盖上还固定连接有设于所述内腔中的缓冲垫，所述缓冲垫呈圆环状。8.根据权利要求1所述的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，其特征在于：还包括物联网模块，所述物联网模块和所述单片机电性连接，所述电源模块还用于对所述物联网模块进行供电。9.根据权利要求1所述的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，其特征在于：
所述环形接近开关的数量为两个。10.根据权利要求1所述的一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，其特征在于：所述实验管采用透明材质制作而成，所述电源模块为锂电池。

技术总结

本实用新型涉及物理实验仪技术领域，具体涉及一种基于物联网的高中物理力学多功能实验仪，其特征在于：包括实验管、抽气泵、连接块、金属滚珠、单片机、显示屏、电源模块和电源开关，实验管内设有贯穿两端的内腔，金属滚珠可移动的设于内腔中，实验管的下端穿过连接块并与连接块连接，连接块内设有空腔，实验管上设有通孔并使内腔与空腔相通，抽气泵安装于连接块上并使抽气泵的抽气口与空腔相通，实验管沿其长度方向间隔设有多个环形接近开关，实验管上端设有电磁铁，电磁铁通过控制开关与电源模块电性连接，实验管下端设有封盖。本实用新型整体结构新颖、实用，操作简单、便捷，可有效减小阻力对实验结果的影响，可演示探究多个物理力学实验。力学实验。力学实验。