王安琪

摘 要：用变频器和同步电机做成匀速控制台，可用与展示运动中物体力的分解。在演示中，木块和小车速度都可以定量调整，也可以改变管道和蜡块速度。模拟“渡河舟”。它也可以用来演示线速度与角速度的关系，使学生掌握直线运动规律。

关键词：摩擦力；运动；实验

研究员们纷纷寻找能替代水平匀速运动试验来展示出来。常用于测量摩擦力的的试验有拖动木板、能量守恒定律等等[1]，其中不少方法很是复杂，演示极难。蜡块做实验，成熟可行的办法是将管道底座置于汽垫导轨上，由于还是受到空气阻力的影响，这一做法也是刚刚达到要求，演示中的记录的蜡块运动轨迹一般会出现向上弯曲的迹象；悬浮于气垫上的管道也很难保持稳定，演示中管道必须放置数值却保持稳定；为了演示方便，我们设计了如图1和图2所示的匀速拖动设备。演示中小车的速度玻璃管的方向和蜡块的速度均可调节。本控制台可以演示圓周运动和直线运动规律。

1 拖动原理

有人会对演示的合理性提出疑问：第一，根据 ，随着设备的运行，绕线轮实际半径会慢慢变大，实际速度v也是越来越大。运动方向也可能偏离。第二，扭矩增大后，电机速度可能变化。第三，回线困难。

如上图所示，我门加装导线轮和缝来控制方向，应用较大的绕线轮和较细的牵引线，那么木板的方向便可以控制。其二，我们可以应用同步电机，在外力可控的情况下电机转速恒定[2]。另外，我们需要控制演示的时间。因此需要我们降低电机速率。由于同步电机的转速

n与频率f、磁极对数 的关系为[2]： （转/分），我们通过

加装变频器来改变电流工作频率来改变电机转速。

我们采用了可以控制转动方向的同步电机--动机的顺转和逆转；当需要回线时，只要先调高变频器的输出频率，再拨动S2使绕线轮倒转，这样在回线的同时车子也会在钩码的拖动下自动倒退到原位。

2 设备的应用与操作

2.1 测量静摩擦力

图2

如图2所示，接通电源调节变频器，可以发现弹簧秤的弹簧慢慢来长，但木板有一个向右运动的趋势却没有运动。几秒种后，木板运动开始，弹簧秤指示数字发生“突变”，演示中展现了在木板在运动刚刚开始的那一下所显示的摩擦力比运动时要大，这个摩擦力就被人们称作最大静摩擦力也就是 。固定一个10g的砝码在木块上，再次进行以上步骤，你会发现这次的最大就摩擦力较上一次更大。然后用粗糙木块3进行上述操作，显示的最大静摩擦力比前两次都要大。可以得出结论，木块的动摩擦力和最大静摩擦力之间的关系是

，最大静摩擦力随着压力的增大而增大，最大静摩擦力随着接触面的粗糙程度的增大而增大。需要注意的是尽量的调节变频器使其频率足够小以便于读数，可以在木块上放置一个砝码以便明显的观察到弹簧秤的指示数字的变化。

2.2 演示圆周运动的规律

由于演示台的局限性，圆周运动在以往的资料中角速度和线速度的关系式： 都是理论推导出来的。图一的设备台上边的绕线轮可以用于演示圆周运动的规律。正是因为我们购买的同步电机在电

流工作频率是f=50Hz时，其转速正好为n=50r/min，参照

（转/分），演示的n与f之间的速度比例正好是1：1，而且我们采购的变频器可以直接显示电流的频率f，因此我们很容易的获得绕线轮的角速度。假设绕线轮转动频率为f，因此它的角速度（ ）为

；其线速度v则可以根据木块的移动速度获

得；因此，我们只要测量出绕线线圈的半径就可以推论出v、r、w三者的关系了。

2.3 演示匀速直线运动

演示操作是运动规律的本质，但是有很多本身很简单的操作不被人们重视，因此这些演示很少得到重视。其中之一匀速运动。但是很多人对匀速运动并不是如同大家想象的那样好。举个例子，匀速直线运动的“x-t”图像，很多时候被人们看作是倾斜运动的轨迹；更有甚者他们理解的“一个质点的匀速直线运动就是在单位时间内运动的距离一样”便是对的，无论我们怎么强调匀速直线规律的性质，并举例加以强调，多数因为语言表述不足和理解力的问题而使得效果很不理想。

此实验台可以很形象的帮助学生深刻的掌握匀速直线运动规律。我们可以在刻度尺边上加一条打点计时器专用纸，把木板的初始位置在纸带上标明。打开电源调节变频器，让木板缓慢地匀速运动这，间隔一定的时间段在纸带上用笔点一下木板的位置，逐一测量并记录各个时间段内木块发生的位移；加大变频器的速度，重复操作；此后分别作出两次操作的“x-t”图像，让人们自己去感受匀速直线运动，得出运动规律。

此外，为了加强对此次匀速直线运动规律的理解，我们可以对操作台进行改进：在纸带上做出四个明显的标记，且其中的间隔相等。开启电机拖动木板运动运动，在木板运动期间不停地调大和调小变频器的输出频率，使得模板运动速度忽快忽慢，用秒表记录下来木块通过第二个标记所用的时间T，此后调节变频器的频率让木板也在同样的时间T内已变化的速率依次通过第三个和第四个标记区。这些曹严严实，可以使人们更清楚地观察到物体在相同的时间内通过相同的位移，也不能说明它一定做匀速直线运动，因此可以加深人们对匀速直线规律的理解掌握。

3 结语

机械设备的运动需要依靠动力才能完成。比如在电动机问世之前的工农业生产中，人们常常会把风力、水力或蒸汽机等作为生产动力，这种情况一直延续到了直流电动机的出现，彼时人们才开始重视以电动机作为原动机的拖动方式。到了上个世纪80年代的时候，传输方便的三相交流电和结构简单的三相交流异步电动机的发明，使电力拖动得到了更加充分的发展。此后随着社会科技发展水平的不断的进步，电力拖动被广泛用于工农业产生和国防建设的各个领域之中，为提高生产率和改善产品质量依据为社会经济发展等都做出了重要贡献。本文以多功能电机拖动设备作为研究对象，就其工作原理进行了简要解析。

参考文献

[1]蒋天林.测量动摩擦因素的几种方法[J].物理教学，2009，（2）：22-23.

[2]湖南大学，武汉水利电力学院.电工学基本教程[M].北京：高等教育出版社，1995，253.

[3]王永元，魏传传.红蜡块实验的改进[J].物理教师，2009（2）：19-21.

[4]多功能匀速拖动装置[J].物理教学，2011，（1）：25-2.