第３２卷 第６期 ２０１２年６月 物 理实 验 Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．６ ＰＨＹＳＩＣＳ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴ１０Ｎ Ｊｕｎ．，２０１２ 三维可调式锥体上滚演示实验仪 张锐波 （浙江大学城市学院，浙江杭州３１００１５） 摘要：对传统锥体上滚实验演示仪进行拓展和改进，研制了三维可调式锥体上滚演示实验仪，实现了轨道夹角、双 轨道平面倾角及双圆锥体（直径与高度）的连续可调． 关键词：锥体上滚；三维可调；演示实验 中图分类号：Ｏ３１３．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—４６４２（２０１２）０６—００３３—０２ １ 引 言 目前，多数高校物理实验室锥体上滚实验演 示仪大同小异，即锥体轨道夹角、轨道平面与水平 面倾角及锥体直径与高度均固定不变．传统的实 验演示仪无法让学生弄清上滚的原因和本质特 征，更无从让学生亲自动手、学习设计和推算等来 完成该实验． ２锥体上滚实验仪的设计思想 锥体上滚实验仪是锥体在其轨道上通过降低 重心使势能转化为动能来验证机械能守恒定律的 仪器，从表面与视角效果看，锥体在其轨道上运动 是由低端向高端滚动．作者根据该实验所要达到 的目的，在于让学生弄清实验原理和通过动手提 高实验能力作为该实验的基本出发点，从而研究 设计制作了三维可调式锥体上滚演示实验仪，实 现了轨道夹角、双轨道平面倾角及双圆锥体（直径 与高度）均能连续可调的锥体上滚实验仪器． １．实验仪底座 ２．可调支撑脚 ３．轴承下支撑杆左 右移动滑槽 ４．双轨道对称中心线 ５．锥体两轨道 支撑杆圆弧移动轨道 ６．双轨道转动轴 ７．双轨道 中心轴下转动轮轴曲柄８．曲柄转动轴 ９．曲柄轴 锁紧螺丝 １Ｏ．双轨道转动轴下支撑杆 ｌ１．轨道轴 承下支撑杆上下升降螺旋 １２．上下升降螺旋固定螺 丝１３．轴承下支撑杆与底座固定螺丝 １４．锥体滚 动前轨道 １５．锥体至终点轨道挡锥物 １６．轨道末 ３三维可调式锥体上滚演示仪的结构与 特点 三维可调式锥体上滚演示实验仪的结构如图 １所示． 端与支撑杆衔接轴承与固定螺丝 １７．轨道末端支撑 杆１８．锥体后轨道末端支撑杆升降与固定螺丝 １９．锥体前轨道末端支撑杆升降与固定螺丝 ２Ｏ．双 圆锥体 图１ 三维可调式锥体上滚演示实验仪实物图 实验仪各部分均采用不锈钢材料，底座尺寸 ３００ ｍｍＸ ４５０ ｍｍ×９．００ ｍｍ；锥体后前轨道直 承螺丝直径４．６０ ｍｍ；轴承支撑杆与底座固定螺 丝直径３１．６０ ｍｍ；双轨道末端支撑杆与底座固 径均为９．９２ ｍｍ；曲柄上表面至曲柄与支撑杆连 接轴径向距离４０．１８ ｍｍ，曲柄与支撑杆连接轴 定螺丝直径２６．８０ ｍｍ；在双导轨并拢平行调平 收稿日期：２０１１—１１—０８；修改日期：２０１２—０４—１３ 作者简介：张锐波（１９５９一），男，山西芮城人，浙江大学城市学院副教授，学士，从事实验技术与创新教学方法研究． ３４ 物理实验 第３２卷 前提下，轴承下支撑杆与底座固定螺丝至轨道末 端支撑杆与底座固定螺丝外径之间距离为 ３９５．Ｏ０ ｍｍ． 双轨道投影与水平面之夹角；如图２（６）所示，调 节ａ 双轨道平面倾角，使之刚好满足 ／２＞ｈ ， 如图２（ａ）所示．如图１固定各连接点．此时，只 要将该双椎体放于实验仪始端，就能实现其上滚． 该锥体上滚演示仪可配备多个双圆锥体，教 师可随即选取双圆锥体让学生自行设计做实验． 由此也可获得双锥体上滚条件为 已配的４个双圆锥体相关参数见表１． 表１ ４个双锥体相关直径Ｊ，ｌ、高度ｎ与锥体 顶角一半 ２的正切参数计算值 概括起来，该装置的特点为： １）微型化．该锥体上滚实验仪底座面积仅 ３０ ｃｍＸ４５ ｃｎｌ，导轨长度仅４４ ｃｍ，１个实验桌台 可放３～４台（套），节省了实验室用地面积． ２）可拆卸性．该实验仪所有环节连接部件可 拆卸，学生实验时可将其组装成整机，拓展了学生 动手设计能力，也便于打包运输． ３）三维可调性强．锥体两轨道夹角可调、轨 道平面倾角可调，以及选用不同尺寸（直径和高 度）的锥体做实验． ４）设计性实验因素多．学生可根据已知参 数，经过必要的推算可求出相关参数，对分解后的 各部件进行组装、调试（粗调、细调）来完成实验． ５）综合性实验强．学生可定性也可完全定量 化验证锥体上滚实验条件． ４三维可调式锥体上滚实验原理与调节 步骤 锥体上滚运动时锥体重心由高到低，重力做 功，重力势能转化为动能，整个过程体现了机械能 守恒．实验时，组装锥体上滚实验仪，让导轨末端 支撑杆脚并拢，平行调节三支撑杆上下螺旋，使双 轨道处于同一水平面．如图２（ｂ）所示，选择直径 优 和高为 的双锥体，则其顶角为晟；调节绝： ， 为双锥体滚至轨道末端挡锥物的间距， 为 ｆ４ ｖ ｔａｎ告ｔａｎ百ｌｉ＞ｔａｎ （１） ３上 ２． 一（ｂ） 图２锥体上滚各相关参量示意图 ５ 结束语 经改造、制作的三维可调式锥体上滚演示仪， 学生通过设计、组装、推算、调整来验证机械能守 恒定律，有利于从更高水平、更深层次和更广范围 培养学生的实验技术设计、测量能力、综合分析、 推算能力、动手操作、应用能力、观察和判断能力， 提高了该实验项目教学质量与效果． 参考文献： ［１］沈黄晋．物理演示实验教程ＥＭ］．北京：科学出版 社，２００９：卜２． Ｅ２］马世红．设计性、研究性物理实验的实践情况ＥＪ］． 物理实验，２００４，２４（１１）：２８—３３． Ｅ３３张增明，孙腊珍，霍剑青，等．研究性物理实验教学 的实践ＥＪ］．物理实验，２０１１，３１（２）：２０—２２． （下转第３９页） Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｈｉｃｋ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌ ｕｓｉｎｇ Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ＸＵ ｗｅ ｔａｏ，Ｌｌ Ｑｕａｎ－ｗｅｉ，Ｌ１ Ｊｉ—ａ。，ＺＨＯＵ Ｊｉｎ，ＺＨＯＵ Ｈｕｉ—ｊｕｎ 、一一一一一～甜～一一一的～～～一一一ｍ 舢 ｓ¨ ｐ ｍ Ｈ Ｍ＇主 咖脚 （ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９３，ｃｈｉｎａ） ｅ ． ｄ ｒ 山 Ⅳ ＿ａ５ Ｏ． ｔ．ｎ一 （上接第３２页） Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ～一一一一一？ 啪一叭 弱ｈ ｘ 雠肿 －ＦＥＮＧ Ｊｕｎ－ｑｉｎ，Ｗ ＵＦｕｇｅｎ，ＺＨＯＮＧＨｕｉ－ｌｉｎｎｇｚｈ。ｕ，５１０００６，ｃｈｉｎａ） ｈｎ。１。ｇ。ｆＴｅｃｙ，Ｇｕａ５…… Ｊｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕ ｎ Ｖｅｒｓｌｔｙ ｏ 上ｅｃ ｏ ｕｇ ’ｕｕ ‘， ．ｉｒ，ａ ｓｐｎ ｖｅ１ｏｃｉｔｙｉｎ ａｉｏｔｒａｓｏｎｉｃ ｐｒｏｐａｇａｔＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆｕｌｅ ｃｓｉｉａｌ ｄｅｇｎ．ｗａｓ— ．．．．．ｅｃｔｒｉｃｉｅｚｏｅ１。ｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｅｓ。ｎａｎｔａ ．ｔｒａｎｓｕｕｃｅ￣，・Ｊ…ｕｒ ｅＬｔｒａｕｌ．・ｓｏｎｉｃ ａｔｔｅｎｎ ｔｈｅ ａｉ ａｎｄ ｔｈｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｕａｔｉ， ｅａｔｉｏｎ ｖｅｌｏ ｃｉｔｙｔｒａｓｏｎｉｃ ｐｒｏｐａｇｕｌ．ｉｎ ｗａ￣ｅｚ———．ａ１ Ｔｈｉｓｓｐｅｃｉ。ｄｅｓ 】．ｆ ｐｈｙｓｅｎｒｋｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏ．１１ Ｋｅｙ ｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；螂∞扑“代 明 ……ｎｔｆｉｃｓ三 ｅｘｐｍｅｎｔ一 ｔｅａｃｕｈａｉｎｔＩｇｏｎ，ａ ｎｄｆｆｅｉｘｃｉｐｅａｎｔｄ． ｌａｅ ａｍｓｔｅ ｓＳｑｌｕＵａｔｌ ￣ ｌｏｄ ．Ｊ—ｅｎｔｓ，ｈｏｒｉｚｏｎ ｓ． ｎ明岫ｎ ｎ ｕ 钥 （上接第３４页） 辑．郭伟］ ３．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ａｄｊ ｕｓｔａｂｌｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ｕｐ ｃ０ｎｅ ＺＨＡＮＧ Ｒｕｉ－ｂｏ （ｃ。ｌ１ｅｇｅ。ｆ Ｃｉｔｙ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈ。ｕ ３１００１５，ｃｈｉｎａ） ｏｆ ｒｏ ｓｔｒｕｍｌ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｉｎｒａｄｉｔｉｏｎａｅ ｏｆｔ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌ—ｅ ｎｔｃ。ｎｅ，ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ｕｐ ｃｏｎｅ ｗｉｔｈ ｉｍ纠ｄ ｍｄｔｎｓｉｏｎ ａｊｕｓｅｎ…ｔ ｗａｓ ｍａａｅ．…ｅ ｈ啦ｈｔ。 ｅｄｉｎｅａｎｄｔｈｍｅｎｔ ｏ ｔｆ ｈ ｅ ｔｒａｃｋ ａｎｇｌｅ，ｔｈｅ ｄｉｐ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｏｒｂｉｔａｌ ｐｌａｎｅ ａ。 ｄ【ｎｅ ａｍｅｔＩｎ儿 …６…一 ｐｌａｄｏｕｂｌｅ ｃｏｎｅ ｗｅｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ・ ． ． ．Ｋｅｙ ｗ ：ｒｏｌｌｉｎｇ ｕｐ ｃｏｎｅ；３－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ； ｍ ” 即 辑 伟］
