能量穿梭機(jī)模型

能量穿梭機(jī)模型是一種演示勢能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換，兼有機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能與光能的運(yùn)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)裝置。通過球體穿梭在富有流動(dòng)雕塑美感軌道間的趣味旅程，既折射出多種力學(xué)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，又呈現(xiàn)出能量轉(zhuǎn)換的多種物理現(xiàn)象，從而能喚起莘莘學(xué)子對物理科學(xué)的興趣和愛好，激發(fā)學(xué)習(xí)者探究自然奧秘的動(dòng)機(jī)和欲望。  
能量穿梭機(jī)模型先期由上海市嘉定區(qū)第二中學(xué)*，并榮獲上海市中學(xué)物理學(xué)科自制教具評比一等獎(jiǎng)。在此基礎(chǔ)上,為配合上海市二期課程改革之需，與華東師范大學(xué)科教儀器廠合作，進(jìn)一步研發(fā)和批量生產(chǎn)出了全自動(dòng)穿梭形態(tài)的教學(xué)模型產(chǎn)品。  
    能量穿梭機(jī)將引導(dǎo)學(xué)生涉足物理天地，賦予學(xué)習(xí)者以智慧與毅力，去叩開物理王國之門。  

號：200610025807.6  
  
技術(shù)參數(shù)：  
1、外型尺寸     底板尺寸  700x380 mm2  
2、小球規(guī)格     鍍鉻鋼球     φ20    數(shù)量3枚  
3、運(yùn)行軌道     垂直圓周軌道 φ104±5    
              水平圓周軌道 φ120±5  
              模擬行星軌跡 φ120±2 (max) φ22±1 (min)     
              軌寬  14 mm  
4、多米諾骨牌   52 x 26 x 12 mm3      
              數(shù)量  4塊（首塊加配重）  
5、翻板尺寸       110 x 32 x 4 mm3  
6、直流電機(jī)       12V   200 mA    減速比 70 ：1  數(shù)量  2  
7、電機(jī)轉(zhuǎn)盤直徑   150～170 mm   
8、皮帶輪直徑     φ 48  
9、同步帶長度     860 mm  
10、牽線電磁鐵    12 V    450 mA    牽引力    2500 g  
11、工作電源      220 V  50 Hz  15 VA  
12、抗電強(qiáng)度      3750 V  50 Hz  一分鐘無飛弧擊穿現(xiàn)象  
  
  

使用說明：  
模型的各部件結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，排列有序地劃分為以下15個(gè)區(qū)段：  
1、重力勢能：軌道處于模型的左上方，在其zui高處起始位的球穴中，置有鋼體小球，該靜止的球體具有zui大的重力勢能，但當(dāng)小球從zui高位沿斜軌下滑時(shí)，其勢能逐漸減小而動(dòng)能逐漸加大，直至垂直圓周運(yùn)動(dòng)區(qū)段。  
2、垂直圓周運(yùn)動(dòng)：小球進(jìn)入圓軌道的起始位時(shí)，便以其轉(zhuǎn)換來的zui大動(dòng)能沿著圓型軌道逆時(shí)針向上迴轉(zhuǎn)，即使到達(dá)圓軌的至高點(diǎn)，該小球仍能以足夠大的能量和速度繼續(xù)繞圓周回旋而完成環(huán)路運(yùn)轉(zhuǎn)。  
3、斜拋運(yùn)動(dòng)：待小球迴轉(zhuǎn)后即進(jìn)入傾斜的軌道而繼續(xù)向右上方滾爬，直至軌道的末端時(shí)，即以斜拋方式飛離鋼軌。  
4、模擬行星運(yùn)動(dòng)：離軌后的小球以拋物線的軌跡準(zhǔn)確地穿越模擬行星運(yùn)動(dòng)的組件孔，進(jìn)入半透明的喇叭口容器，再沿著拋物型壁面以橢圓形軌跡作回旋運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)能量守恒原理，隨著運(yùn)動(dòng)半徑的減小，小球徊轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度越來越快，zui后穿過容器底部的小孔，墜落到水平圓周運(yùn)動(dòng)的軌道。  
5、水平圓周運(yùn)動(dòng)：小球進(jìn)入水平圓周運(yùn)動(dòng)區(qū)，小球的高度隨軌道下降而進(jìn)一步獲得圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，由于小球作圓周運(yùn)動(dòng)還會(huì)受到向心力和重力的雙重作用，故該圓形軌道設(shè)計(jì)成略微內(nèi)傾的形式，這樣便能使小球順利地又一次完成水平方向的環(huán)繞而進(jìn)入直線運(yùn)行軌道。  
6、碰撞：小球完成水平圓周盤旋后，緊接著又與軌道上靜止安放的另兩個(gè)小球相繼發(fā)生碰撞，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)小球通過能量傳遞，將能量轉(zhuǎn)移到外側(cè)的后一個(gè)球體時(shí)，便以接力的方式使該小球從靜止開始再作慣性運(yùn)動(dòng)。  
7、平板轉(zhuǎn)動(dòng)：后一個(gè)小球滾移片刻后，再次撞擊前方的翹翹板式（垂向）擋板，遂使擋板發(fā)生繞軸式轉(zhuǎn)動(dòng)。  
8、脈動(dòng)波（多米諾骨牌）：擋板翻轉(zhuǎn)瞬間推倒豎立在多米諾骨牌平臺(tái)上的*張骨牌，然后隨能量的逐級傳遞，又依次將所有骨牌推倒形成脈動(dòng)波，或稱“多米諾骨牌效應(yīng)”。  
9、水平直線運(yùn)動(dòng)與機(jī)電轉(zhuǎn)換:當(dāng)小球撞擊擋板后將繼續(xù)進(jìn)入水平直線運(yùn)動(dòng)區(qū)，zui后再撞擊杠桿推桿的末端，由于杠桿作用使推桿從裝在電機(jī)平臺(tái)上的大轉(zhuǎn)盤卡口中分離開來，轉(zhuǎn)盤隨之使重錘釋放，重錘便通過由動(dòng)滑輪和定滑輪組成的滑輪組件下墜，隨之帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)使發(fā)電機(jī)由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。  
10、電光轉(zhuǎn)換：發(fā)電機(jī)的電能輸出連接到燈盒內(nèi)的發(fā)光兩極管列陣之中，使其將電能轉(zhuǎn)換成發(fā)光管的光能量。  
11、球體回收：小球運(yùn)行到終點(diǎn)落入球體回收區(qū)被恒磁鐵吸附并在其前端面上定位。至此鋼球已完成了一次能量穿梭的全過程。（鋼球的整個(gè)穿梭過程可參見第7節(jié)穿梭流程圖）  
12、重錘提升與骨牌復(fù)位：接通電源，通過邏輯控制電路將電機(jī)平臺(tái)上的原發(fā)電機(jī)模式轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)模式。使電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)將以在外加電能作用下，與發(fā)電機(jī)相反的逆時(shí)針轉(zhuǎn)向開始運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)重錘向上提升回復(fù)到zui高位時(shí)由推桿卡住。與此同時(shí)，控制電路又同時(shí)接通多米諾骨牌平臺(tái)內(nèi)的牽引電磁鐵，將傾伏的骨牌全部拉回到豎直的位置（復(fù)位）  
13、鋼球提升：鋼球提升機(jī)構(gòu)由裝在控制電路立柱內(nèi)的電動(dòng)機(jī)連同盒外的主動(dòng)輪，以及由同步傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)的從動(dòng)輪組成，通過控制電路的延時(shí)作用，在一次行程結(jié)束后，稍延時(shí)片刻后，自動(dòng)開啟鋼球提升機(jī)，當(dāng)傳送帶上的抓斗一旦與已歸位的鋼球相遇時(shí)，抓斗即抓起鋼球并被傳送帶提升直至帶進(jìn)拋球槽。  
14、拋球槽：鋼球帶入拋球槽后，即與抓斗分離而沿著球槽前進(jìn)，到達(dá)出口處時(shí)將下落到起始位的球穴中，并開始下一次的循環(huán)。  
15、電源與邏輯控制：為鋼球循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的外加電源、控制電路與提升機(jī)用電動(dòng)機(jī)，全部裝置在儀器左上角的立柱盒內(nèi)，以完成各種復(fù)位所需要的運(yùn)行功能。  
實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)：  
1、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備  
（1）校準(zhǔn)水平位；調(diào)節(jié)底腳螺絲高度使底盤上的水準(zhǔn)儀處在中心位。  
（2）取兩鋼球并置于預(yù)定的“碰撞”區(qū)內(nèi)。  
（3）將電機(jī)轉(zhuǎn)盤上的拉繩相繼正確穿入由定滑輪和動(dòng)滑輪組成的滑輪組件中，末端系住在定滑輪的右方支架上，再將重錘鉤入動(dòng)滑輪的吊鉤之中（參見附圖二）。  
（4）逆時(shí)針搖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)盤使重錘逐漸上升至zui高位，直至推桿將轉(zhuǎn)輪卡住為止。  
（5）如多米諾骨牌平臺(tái)上的骨牌其軸針有脫離槽口的情況時(shí)，應(yīng)先將軸針嵌入槽內(nèi)，然后拉動(dòng)骨牌平臺(tái)末端的拉手柄將處在傾伏狀態(tài)的骨牌復(fù)位。  
（6）如重錘下垂處于zui低位時(shí)，可按上述（4）的操作方式搖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)盤至zui高位。  
（7）將電源線插入電源立柱盒上的插座中，電源線另一端插入交流市電電源。  
2、實(shí)驗(yàn)過程演繹  
（1）手動(dòng)（無源）啟動(dòng)：  取第三枚小球由拋球槽頂上的小孔投入，使其進(jìn)入傾斜軌道自由滑落而下。當(dāng)小球完成垂直圓周運(yùn)動(dòng)后，以斜拋方式飛出準(zhǔn)確穿越小孔進(jìn)入模擬行星運(yùn)動(dòng)的透明容器內(nèi)。  
    小球完成模擬行星運(yùn)動(dòng)后，進(jìn)入圓周運(yùn)動(dòng)軌道，速度應(yīng)逐漸加快，在直線運(yùn)動(dòng)區(qū)與靜止小球發(fā)生碰撞時(shí)，應(yīng)使外側(cè)小球再沿水平方向飛出推動(dòng)翻板產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)形成脈動(dòng)波，在推倒多米諾骨牌后，接著小球又撞擊推桿，使發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能和光能，至此已完成了一次能量穿梭實(shí)驗(yàn)演示。  
（2）自動(dòng)（有源）啟動(dòng)；  指小球置于回收區(qū)內(nèi)由永磁鐵吸附定位后再啟動(dòng)的一種方式。此時(shí)應(yīng)檢查重錘是否釋放處在下垂的zui低位，（當(dāng)重錘在高位時(shí)，提升機(jī)不會(huì)啟動(dòng)?。┤缓蠼油娫词剐∏蜃詣?dòng)提升至拋球槽后拋出，開始運(yùn)轉(zhuǎn)。  
3、實(shí)驗(yàn)后的操作  
    關(guān)斷電源，取出三枚鋼球，釋放重錘，使其下降至zui低位（重錘也可脫鉤后取出），拔去電源線，妥善收藏。