[0001] 本发明涉及一种物理实验装置，并且特别涉及一种运动的合成与分解定量实验装置。

[0002] 运动的合成与分解规律是人类探究物体运动规律的基础。它是高中物理教材的重点内容。

[0003] 在运动的合成与分解中，合运动与分运动关系的规律得出是近代物理学教学中的难点，如何直观体现是教具制作的难点。

[0004] 目前国内使用的运动的合成与分解定量实验仪器主要存在有以下的缺点：

[0005] (1)直观性不够。教材上使用的蜡块的运动演示实验蜡块并没有留下点迹或是痕迹，很难让学生理解合运动、分运动；有一些实验仪器使用运动物体携带毛笔、或运动物体上放置紫外灯并在背景放上感光板、或运动物体为磁性滑块并且背景使用磁性板等组合等留下运动物体实际的点迹，还需要人工拿笔对感光板上的点迹描点进行处理才能得到运动的合成与分解的结论，费时费力又不够直观，且点迹的描绘和处理过程会存在一定实验误差。

[0006] (2)研究问题不够全面。首先是对角度的探究不够全面：教材上使用的蜡快的运动演示实验只有在直角情况下的实验，却能得出普遍的定量的规律，而已有的实验仪器大多数只能进行直角情况下的实验；其次是对运动类型(如锐角、直角、钝角情况下)的探究不够全面：已有的实验仪器大多数只能进行合运动与分运动都是匀速直线运动的实验，没有探究变速情况；还有人工计算位移涉角度及应用余弦定理，需要量角器和数学用表查余弦值，麻烦费力；最后是数据分析不够全面：已有的实验对数据的处理是对合运动、分运动的位移、速度进行分析，使用作图法的方式利用平行四边形定则进行合成，而没有涉及到对加速度的分析以及对轨迹的拟合分析。

[0007] (3)使用不够便捷。部分能够留下运动点迹的实验中，往往需要对画板上的点迹进行擦除处理才能进行下一次实验，对于部分使用在运动物体上放置紫外灯并在背景放上感光板的装置，还需要人工拿记号笔粗描获得点迹，存在记号笔描点带来的笔墨残留，板面擦除不干净，影响下次实验的问题。

[0038] 在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。

[0039] 本发明提出了一种运动的合成与分解定量实验装置，图1示出了根据本发明的一种运动的合成与分解定量实验装置的结构示意图，如图1所示，该运动的合成与分解定量实验装置包括第一导轨201和第二导轨202，第一导轨201一端与第一电机203连接，第一电机203驱动第二导轨202在第一导轨201上运动，第二电机203控制打点计时器300在第二导轨
202上运动，触摸屏200设置于打点计时器300的后方，且覆盖打点计时器300随第一导轨201和第二导轨203运动行程范围。

[0040] 在具体的实施例中，打点计时器300连接有按钮开关303和频率调节器302，频率调节器302与12V电源301连接，按钮开关303控制打点计时器300电路通断，借助频率调节器302调节打点计时器300的打点频率。

[0041] 在具体的实施例中，第二导轨202的上设置有起支撑作用的中部固定板207和下部固定板208，中部固定板207和下部固定板208之间通过两根气弹簧支撑杆205和若干螺旋弹簧206连接，起到了支撑作用，保证第二导轨202运动过程中的稳定性。

[0042] 在具体的实施例中，控制箱100设置于触摸屏200和导轨的一侧，控制箱100上设置有急停开关101、启动开关102、电源开关103、电源指示灯104和控制屏105，控制箱100与第一电机203和第二电机204电连接，通过控制屏105调节第一电机203和第二电机204的运行参数，以控制第二导轨202和/或打点计时器300的位移速度和加速度，同时利用急停开关101可对装置进行紧急制动，保障安全。

[0043] 图2示出了根据本发明的一个具体的实施例的一种运动的合成与分解定量实验装置的正面视图，如图2所示，第一导轨201和第二导轨202两端设置有限位开关210，限制了第二导轨202和打点计时器300的运动行程范围。

[0044] 在具体的实施例中，第一导轨201和第二导轨202上设置有可滑动的导轨滑块211，限位开关210和导轨滑块211均设置在第一导轨201和第二导轨202侧边的凹槽上，第二导轨202与第一导轨201上的导轨滑块211连接，打点计时器300与第二导轨202上的导轨滑块211连接，通过限位开关210限定导轨滑块211的运动行程，进而限制第二导轨202和打点计时器
300的运动行程范围。

[0045] 图3示出了根据本发明的一个具体的实施例的一种运动的合成与分解定量实验装置的局部放大图，如图3所示，导轨滑块211设置在第一导轨201侧边的凹槽上，下部固定板208固定在导轨滑块211上，角度转向器209底部与下部固定板208连接，第二导轨202末端与角度转向器209可转动地连接，角度转向器209可以调节锐角、钝角和直角的角度，从而实现角度变化的实验功能。

[0046] 在具体的实施例中，角度转向器209上开设有供转轴穿过的转轴孔和用于锁定角度的弧形转动槽，第二导轨202末端对应位置开有与之配合的孔位，第二导轨202可在弧形转动槽的范围内转动与固定，进而调节第二导轨202与第一导轨201之间的夹角。

[0047] 图4示出了根据本发明的一个具体的实施例的打点计时器结构示意图，如图4所示，打点计时器300上设置有电磁铁330及与之配合的振动片320，振动片320远端设置有打点针310，且振动片320下方设置有起支撑作用的支撑件340。

[0048] 在具体的实施例中，频率调节器302控制电磁铁330对振动片320的吸或放，进而控制振动片320远端的打点针310的打点频率。

[0049] 继续参考图5，图5示出了根据本发明的一个实施例的运动的合成与分解定量实验方法的流程图，如图5所示，该方法包括：

[0050] S1：调节第二导轨角度，使其与第一导轨分别呈锐角、直角或钝角，设置第一电机和第二电机的匀速运动速度值以及打点计时器的打点频率；

[0051] S2：在三个角度状态下分别控制第一导轨单独运动、第二导轨单独运动、第一导轨和第二导轨同时运动，并通过打点计时器在触摸屏上记录点迹；

[0052] S3：计算并分析分运动与合运动的位移大小及方向，利用平行四边形定则对分运动进行合成得到合成的合运动理论位移/速度值，根据图像比较合运动理论位移/速度和实际位移/速度之间的关系。

[0053] 在具体的实施例中，在S1中可以设置第一电机和第二电机的加速运动值，使第一导轨和第二导轨做匀加速直线运动。

[0054] 在具体的实施例中，S3还包括计算并分析合运动分解的分运动的位移/速度大小和方向，并将其与所述第一导轨和所述第二导轨单独运动时的分运动之间的位移/速度大小和方向利用同一标度的有向线段标注，根据图像比较所述合运动分解的分运动的理论点迹与导轨单独运动的分运动之间的位移/速度关系。

[0055] 图6a‑6f示出了根据本发明的一个的实施例的匀速运动情况下不同角度(锐角、直角和钝角)分运动与合运动之间的位移关系和速度关系图，如图6a‑6f所示，SA为第一导轨单独匀速运动所记录的位移点迹，SB为第二导轨单独匀速运动所记录的位移点迹，利用平行四边形定则计算出理论的合运动位移点迹SC，SC’为第一导轨和第二导轨同时匀速运动所记录的合运动位移点迹，利用 计算出分运动与合运动的速度大小VA、VB、VC’，并通过平行四边定则对分运动的速度点迹合成得到合运动的理论速度点迹VC，根据图像，可以比较合运动的速度与位移的理论点迹与实际点迹的关系。

[0056] 图7a‑7b示出了根据本发明的一个的实施例的变速运动情况下直角分运动与合运动之间的位移关系和速度关系图；，如图7a‑7b所示，SA为第一导轨单独匀速运动所记录的位移点迹，SB为第二导轨单独做初速度为0的匀加速运动所记录的位移点迹，利用平行四边形定则计算出理论的合运动位移点迹SC，SC’为第一导轨和第二导轨同时运动且第二导轨做初速度为0的匀加速运动的位移点迹，利用 计算出分运动与合运动的速度大小VA、VB、VC’，并通过平行四边定则对分运动的速度点迹合成得到合运动的理论速度点迹VC，根据图像，可以比较合运动的速度与位移的理论点迹与实际点迹的关系，并利用逐差法计算得出第二导轨运动的加速度。

[0057] 图8a‑8f是根据本发明的一个的实施例的匀速运动情况下不同角度(锐角、直角和钝角)合运动与合运动分解的分运动之间的位移关系和速度关系图，如图8a‑8f所示，SA为第一导轨单独匀速运动所记录的位移点迹，SB为第二导轨单独匀速运动所记录的位移点迹，SC’为第一导轨和第二导轨同时匀速运动所记录的合运动位移点迹，利用平行四边形定则将合运动的位移点迹分解到两个分运动的方向上得到分运动的理论位移点迹SA’和SB’，可以比较分运动的理论位移点迹SA’和SB’与实际位移点迹SA和SB之间的关系，利用计算出合运动分解的分运动理论速度大小VA’、VB’、VC和实际速度大小VA、VB’、
VC’，并比较分运动理论速度大小VA’、VB’、VC和实际速度大小VA、VB’、VC’之间的关系。

[0058] 图9a‑9b示出了根据本发明的一个的实施例的变速运动情况下直角合运动与合运动分解的分运动之间的位移关系和速度关系图，如图9a‑9b所示，SA为第一导轨单独匀速运动所记录的位移点迹，SB为第二导轨单独做初速度为0的匀加速运动所记录的位移点迹，SC’为第一导轨和第二导轨同时运动且第二导轨做初速度为0的匀加速运动的位移点迹，利用平行四边形定则将合运动的位移点迹分解到两个分运动的方向上得到分运动的理论位移点迹SA’和SB’，可以比较分运动的理论位移点迹SA’和SB’与实际位移点迹SA和SB之间的关系，利用 计算出合运动分解的分运动理论速度大小VA’、VB’、VC和实际速度大小VA、VB’、VC’，根据图像，可以比较分运动理论速度大小VA’、VB’、VC和实际速度大小VA、VB’、VC’之间的关系，并利用逐差法计算得出第二导轨运动的加速度。

[0059] 本发明的一种运动的合成与分解定量实验装置，针对现有的运动的合成与分解定量实验装置存在以下的问题：(1)直观性不够。目前的实验装置运动的物体不留下点迹或者是还需要对点迹进行处理才能得到运动的合成与分解的结论，不够直观，且点迹的描绘和处理过程会存在一定实验误差；(2)研究问题不够全面。已有的装置对角度、运动类型的探究、数据的分析不够全面：没有探究多种角度情况；没有探究变速情况；最没有涉及到对加速度的分析以及对轨迹的拟合分析。(3)使用不够便捷。部分能够留下运动点迹的实验中，往往需要人工拿笔对画板的点迹进行擦除处理才能进行下一次实验，对于部分使用在运动物体上放置紫外灯，并在背景设置感光板的装置，还需要人工拿记号笔粗描获得点迹，存在记号笔描点带来的笔墨残留，板面擦除不干净，影响下次实验的问题。

[0060] 针对上述所述存在问题，本发明提出并实施解决问题的技术方案：(1)使用触摸屏幕电视黑板并利用编程软件进行点迹的记录。触摸屏幕在外界物体触碰的情况下会有反应，用软件编程在屏幕界面呈现出坐标格，通过编程实现触摸时相应位置出现点迹。选定坐标原点，建立正方向后，可以利用坐标(x,y)的形式记录触摸屏幕上点迹位置。利用控制器控制导轨1方向、导轨2方向以规定速度、加速度单独运动时，打点计时器的运动情况也和二者相同，此时接通打点计时器电源让其进行打点，就可以得到两个分运动的点迹，用(xAn,yAn)和(xBn,yBn)进行记录。利用控制器控制导轨1方向、导轨2方向以和分运动条件下相同的规定速度、加速度同时运动时，再接通打点计时器电源让其进行打点，就可以得到两个分运动的合运动的点迹，用(xCn,yCn)进行记录。

[0061] (2)利用气弹簧支撑杆、螺旋弹簧和自制可改变角度的万向装置，可以实现锐角、直角、钝角情况下的实验。利用PLC控制系统对导轨滑块的运动速度进行控制，输入对应的速度、加速度和行程，导轨滑块可做相应的运动。编程对运动的点迹进行分析和处理：建立合适的坐标系，编程对收集的点迹进行坐标的标注。编程使得屏幕内采集坐标纸的转化的高度和宽度与实际屏幕上的一致，从而保证后续的数据计算和实际情况一致。根据平行四边形定则利用分运动点的坐标进行合成：x'cn＝xAn+xBn，y'cn＝yAn+yBn得到合运动理论点的坐标(x 'Cn ,y 'Cn)并在坐标图上进行标注。根据坐标点，计算两个方向点的方向，利用带箭头的有向线段根据屏幕设定的比例尺关系对其进行标识。根据图像，可以比较合运动与分运动位移的大小和方向关系。根据坐标点，利用 计算两个
方向分运动以及合运动的各点速度大小,方向沿着第n‑1个点指向第n+1个点。利用带箭头的有向线段根据屏幕设定的比例尺关系对各点的两个分运动、实际合运动、理论合运动进行标识。根据图像，可以比较合运动与分运动速度大小和方向关系。利用逐差法计算两个方向分运动以及合运动的各点加速度大小,利用带箭头的有向线段根据屏幕设定的比例尺关系对各点的两个分运动、实际合运动、理论合运动进行标识。根据图像，可以比较合运动与分运动加速度大小和方向关系。编程对点迹进行分析拟合，可以得到速度方向、加速度方向和轨迹之间的关系。

[0062] (3)通过软件编程，重新开始实验时，只需要点击删除点迹，即可开始进行下一组实验。

[0063] 显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。