[发明专利]牛顿摆小车

说明书

提供一种牛顿摆小车，具有由带底座的方形框架、等质量的五个金属小球、等长的金属小球悬挂线组成的牛顿摆，所述牛顿摆的底座用塑料或轻质木材制成；所述底座为板式结构，且其板体左右两端的下端面对称安装一组行走轮；所述底座下端面中心通过阻尼合页铰接只能90°往复转动的限位板体的一端，所述限位板体的另一端通过向下转动90°后，用其下底端面与地面摩擦接触来限制并固定约束牛顿摆式小车整体的行进，并通过向上转动90°后复位，使限位板体整体与底座的下端面相贴合来消除对牛顿摆式小车整体行进的约束。本发明教学方式灵活多样，可自由切换演示方式，结构简单，易于实现，小车的行进完全依靠“绿色能源”，教学收效显著。

技术领域

本发明属物理教具技术领域，具体涉及一种牛顿摆小车。

背景技术

目前，牛顿摆是一个1960年代发明的桌面演示装置，五个质量相同的球体由吊绳固定，彼此紧密排列。又叫：牛顿摆球、动量守恒摆球、永动球、物理撞球、碰碰球等。当摆动最左侧的一个球并在回摆时碰撞紧密排列的另外四个球，最右边的一个球将被弹出，并仅有最右边的球被弹出。逆向时，当摆动最右侧的一个球撞击其它球时，最左侧的一个也仅有一个球会被弹出。换而，当最左侧的两个球同时摆动并撞击其他球时，最右侧的两个球会同时相靠拢被弹出。原理在于：假定各金属球是具有相同质量的质点。当一个质点撞击第二个质点，第一个质点的动量与能量立即转移到第二个上，如此进行下去，直到最后一个球无法继续传递动量与能量，它就被弹开，而当它运动到最高点时，它只蕴含势能，而动能减少到零，重力使它向下运动，循环再次开始。可见，牛顿摆非常有利于学生理解动量守恒以及能量守恒定律，但是牛顿摆小球所获得的动能矢量方向由于始终在小球球体拉线为半径的圆的切线方向，因此该动能矢量方向在外圆切线上无时无刻不在变化的，而低年级的学生往往仅能理解直线运动物体所具有的动能；对于沿圆切线方向的动能矢量的理解较为困难。为此，如果能将小球所获得的动能矢量以直线矢量的方式直观地呈现，现提出如下技术方案。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种牛顿摆小车，利用牛顿摆的动势能转换以及传递为小车提供动能，让原本静止的小车运动起来，通过小车的运动，有助学生在能量守恒定律基础上更为直观地感受势能和动能之间的转换。

本发明采用的技术方案：牛顿摆小车，具有由带底座的方形框架、等质量的五个金属小球、等长的金属小球悬挂线组成的牛顿摆，所述牛顿摆的底座用塑料或轻质木材制成；所述底座为板式结构，且其板体左右两端的下端面对称安装一组行走轮；所述底座下端面中心通过阻尼合页铰接只能90°往复转动的限位板体的一端，所述限位板体的另一端通过向下转动90°后，用其下底端面与地面摩擦接触来限制并固定约束牛顿摆式小车整体的行进，并通过向上转动90°后复位，使限位板体整体与底座的下端面相贴合来消除对牛顿摆式小车整体行进的约束。

上述技术方案中，为采用精简的结构实现小车的行走，作为优选技术方案，所述行走轮由滚轮轴、滚轮、塑料轴承组成，所述滚轮轴与底座板体下端面制有圆弧形凹槽间隙配合安装，且滚轮轴的轴体纳入圆弧形凹槽内；所述圆弧形凹槽圆弧线弧长所对应的圆心角大于120°；所述滚轮轴的轴端紧配合安装塑料轴承，所述塑料轴承的轴承外圈与滚轮的轴孔紧配合安装。

本发明与现有技术相比的优点：

1、当限位板体向上翻转90°折叠收合不限制小车行进时，牛顿摆最左侧的小球撞击其它小球时，一部分转换为小车沿直线行进的动能，小车开始向右运动；同理地，牛顿摆最右侧的小球撞击其它小球时，小车会向左侧运动；牛顿摆的左侧小球和右侧小球循环交替弹出的同时，小车会左右交替运动，通过小车的直线线性运动演示势能至动能的传递，直观地向学生展示小车沿其矢量动能方向上的直线线性运动结果，更易于学生掌握并理解动势能的转换过程；