NJ01-036@小型手扶水稻割捆机设计（陈立君）
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NJ01-036@小型手扶水稻割捆机设计（陈立君）,机械毕业设计全套
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1 中学物理演示实验教 学 改革 的策略研究 摘要 我国大部分中学物理 演示 实验教学仍然处于薄弱环节，这也是我国人才素质难以提高的原因之一 ;因此研究中学物理 演示 实验教学改革具有重要的现实意义。 在物理课堂教学中，物理演示实验是学生认识物理规律的感性基础，是学生加深理解物理概念的重要环节，是理论联系实际的重要方法，是提高学生学习兴趣，启发学生积极思维的重要手段。 本文对中学物理 演示 实验教学改革进行了较深入的研究 ,本人 认为物理演示实验的教学改革应该分为三个方面 :一 .对传统实验方法、装置的改进 ;二 .对演示实验内容的灵活补充 ;三 .引进多媒体技术后对演示实验呈现方式的科学选择。 希望 在新课程改革的要求 下 ,探索一种新的、科学的实验教学模式， 全面提高中学物理 演示 实验教学的质量 . 关键词 :演示实验 ;国内现状 ;教学 改革 . ABSTARCT Demonstration of physical experiments teaching in the most middle school at present still exist some weak taches in our country. Therefore，studying the reform of physics demonstration experiment teaching in the middle school is really a must now.In physicsclass,the demonstration of physical experiments plays an important role. It is the base of the students knowledge of physical law;its the key link in deepening the understanding of physical concepts;it s an important way to put theory in to practice;its also an important method of raising studentsstudying interest and inspiring students to think actively. This thesis does some e1ementary researches on the reform of physics demonstration experiment teaching in the midd1e school,I think the reform focuses on three aspects, including improvement of troditional experiment methods and equipment,reflexible complement of contents and scientific choices,hope to investigating a kind of scientific teaching method，stirring up the student s interest in studying physics， wholly increasing the quantity of high school physics demonstration experiment teaching at the request of new curriculum reform. Key words: demonstration of physical experiment; actuality in our nation ;teaching reform. nts 2 第 一章 演示实验的定义 及 作用 第一节 演示实验的定义 物理实验可分为两种 :一种是以师生互动方式为主的演示实验，一种是以学生独立完成为主的分组实验 .演示实验就是指把物理现象直观地向学生展示的过程 .广义地说除了通常用物理仪器和实物进行的实验演示之外，还包括教师出示的模型、实物 ;用投影教具、模拟教具进行的操作演示 ;放映物理录像片、电影片、幻灯片等声像教学以及利用微机进行的模拟实验等 .演示实验的主体既可是教师也可以是学生，学生既可以是实验演示的主体也 可以同时是实验观察的主体。学生通过观察现象，可以获得物理事实的具体的明确的认识，这样会使学生由感性到理性的认识过程出现一个飞跃，从而更有助于学生消化理解重点、难点，这是一项具有教学功能的创造性活动。演示实验既可以在课堂上进行，也可以在课外进行，课堂演示实验容易受课堂时间空间和教学方式等的限制，而课外演示实验则不受此限制，可以因人而施，因时因地制宜，教学方式灵活多样，内容丰富多彩。可以说课外演示实验是课堂演示实验教学的延伸与补充 . 第 二 节 演示实验在物 理教学中的作用 1. 演 示实验能促进学生的认知水平 发展 (1).提供丰富的感性材料，帮助学生建立思维的模型，克服知识的难点，或为科学结论、规律提供实证。 (2).打 破学生头脑中的“平静”，激发学生的求知欲 (3).学习场景，增强教学的直观性、趣味性。 2.演示实验能促进学生认知结构的转化 (1).暴露学生认识过程的薄弱环节或先验的错误，然后加以纠正，能加深印象。 (2).于比较 (对比、类比 )和总复习。 (3).于延伸和扩展学生们的感觉器官 3. 演示实验能培养学生科学的思维方法和各种能力 物理学实验中有许多富有创造性、启迪人思维的好方法，教学中可通过演示实 验或直接点出或潜移默化地向学生渗透这些好的方法和思想 ;并且在演示的过程中使学生通过观察、分析、想象、假设、归纳表达等来培养和提商其各种能力。例如 :伽利略用斜面实验研究自由落体运动中就组藏着极为丰富的实脸思想，首先由于当时侧定自由落休下落的时间较困难，他采用了让小球在光滑斜面上向下运动的间接验证方法，其次他在轰个实验中有意识地忽略了空气阻力对实验的影响，这种忽略次要因素突出主要矛盾的方法，是物理学实验中许多重要的方法之一。再次他采用控制 变量法 分别改变小球的质量、在斜面上滚下的高度、 斜面的倾角等各 量 来研究这一 问题，最后他在实验的基础上运用严谨的推理将结论合理的外推到斜面倾角为 90度的 情况，得出了超越实验本身、普遍的自由落体运动的规律，这些巧妙的方法、严谨的推理通过实验演示，不仅对学习物理知识本身有着重要意义，对开 阔学生的思维、培养他们严密的逻辑思维能力等都有着不可替代的作用。 4. 演示实验能培养学生良好的科学素质 素质主要由三个方面的因素 :知识因素、智能因素和非智力因素。实验除了对知识的掌握，智能的提高有明显作用之外，对非智力因素的培养也有显著的作用，不仅能培养学生实事求是的科学态度，严谨细致的工作作风和坚韧 不拔的意志品质，而且能有助于学生形成正确的观点观念、优秀的道德品质，培养高尚的思想情操和浓厚的学习兴趣。从以上分析可知，搞好物理演示实验教学，不仅能够达到使学生掌握好基础知识和基本技能的要求，而且还能使它成为学生学习探索知识的过程，从而使学生建立科学的思维方法，培养学生的创造能力，全面提高人的素质。 nts 3 第二 章 国内中学物理实验教学的现状 传统物理课堂教学模式是“教师提出问题 教师演示实验 分析总结得出规律 巩固练习”。这种模式有诸多弊端 : 1. 偏重知识的传授。 这个模式是以教师为中心的传授知识型教学模式 。从教师提出问题，到得出规律结论，都是教师讲，学生听的传授型注入教学方法。虽然教学过程中有师生的双边活动，但学生仍处于被动的地位。教师讲得细、讲得多、讲得深，是台阶式的知识深化，最后是知识的巩固练习。形成了“口授、耳听、笔演”的教学模式和演绎推理的思维训练方式 2. 偏重理论教学。 在这个模式中，演示实验仅仅是教师作为理论教学的依据，作为传授知识总结规律的现象说明和明证，或者作为理论、规律的验证。理论、公式等的演绎推理成为教师传授给学生的重要思维方式和方法，要么是根据演示实验的现象，分析、总结和演绎出新的规 律、结论 ;要么就是依据己有的理论依据，演绎推导出新的理论规律，然后用实验验证 .从而造成了学生头脑里的物理概念、规律、公式都是经过演绎形成的。其巩固练习就是解题，也造成了学生课后提不出什么问题，且应付于解题形式的巩固复习层次，就是学生有疑惑，也是从解题方面和向教师请教解答过程和方法。 3. 忽视了演示实验的作用和功能。 在这种模式中，学生是“看实验、听实验、背实验”，并在教师的讲解中了解实验现象，注重的仅是“看”和“听”，忽视了学生参与并从中体验观察现象、发现问题、获取信息、得到现象的感性认识的作用和功能。由 此导致了课堂中忽视科学归纳法的实际训练。虽然教师分析讲解，运用了一些归纳法引入概念、得出规律和结论，但仍不是学生参与归纳得出的结果，从而间接地造成学生不懂得自我建构发散性思维和创造性的直觉思维。当然也造成课堂教学的枯燥无味，不能激发学生的兴趣和求知欲。 第三章 演示实验 改革 的 研究 演示实验的目的是帮助学生直观、形象地理解物理现象的变化规律，形成物理概念。演示实验除了要求重点突出，能见度大，操作熟练，效果明显，确保一次成功外，还要注意培养学生观察力，让学生善于在事物和现象中注意到各种不显著而又非常重要的属性 和特征。因此，在物理教学的过程中，要经常将演示实验与启发式讲解结合进行。这不仅能调动学生的直觉思维，获得感性知识，还能通过教师的启发式讲解，步步深入地把学生引入抽象思维、逻辑思维的境地，使教师的主导作用得到充分发挥，学生的学习兴趣、求知欲亦得到很好的调动。 第一节 原则要求 在改革演示实验时 可以 充分考虑以下因素 : 1.定性式演示实验的选择原则 一般来说，定性的实验或无需精确测量的实验、测量数据较少或各物理量之间有比较简单关系的实验、现象比较明显或容易引起学生学习兴趣及调动学生积极性的实验，是比较适宜作为演 示实验的。这是考虑到课堂上可以利用的时间是有限的，学生观察实验也受到限制，例如，视线角度不同、远近不同，一般演示用仪器的测量精度都较差，刻度也比较粗糙等，但不影响定性型演示实验的效果。 2.演示实验要特别注意直观性 在 物理学习中，学生可以凭借教师的语言、教材的阐述以及自己的物理语言表述，更明确、更快地感知具体的物理现象和物理过程，从而更精细地、更有方向地感知物理客体的结构和细节。而物理教学的直观性原则也要求给学生提供尽可能多的建立在直接感知基础上的具体形象。作为直观教学手段之一的演示实验，应充分地、恰到好处 的运用。尽可能选择简单的nts 4 测量仪器或量具，应有最简单的测试手续，最简明的实验过程。例如，电流强度的大小，是通过磁电式仪表转化为指针偏转角的大小 (当然还必须制定出大家公认的基准，而所有的测量都是与相应的基准作比较的 )。对高中学生来说，使用磁电式仪表来测量电流、电压，比数字式仪表更显得直观，因为高中学生对于磁电式仪表的原理比数字式的要清晰明了得多。 3.演示实验要充分重视可见度 “可见度”泛指实验装置、实验过程中出现的物理现象，都能引起每个学生相应感官有清晰的感觉。例如，实验装置的结构、线条、图形、仪表指针和刻度 ;伴随物理现象出现的声、光、气味等务必使每一个学生都能感觉到。 第二节 教学改革 一 .对传统实验方法、装置的改进 ; 1. 自行设计演示实验 物理教学以观察、实验为基础，而只靠课本中所安排的演示实验，远远不能满足教学需要。特别是在一些教学的重点、难点上不做实验，学生理解、掌握知识就会有困难，教师根据需要自行设计实验显得十分有必要。例如，为了演示金属电阻率随温度而变化，取一小根金属丝，把它和一个小电珠、演示电流表、开关一起串接在 3V稳压电源上。首先闭合开关，电珠正常发光。用酒精灯给灯丝加热，电珠亮度显著变暗， 电流表读数变小，停止加热，把金属丝浸入凉水盆中，灯迅速变亮，电流表读数变大。学生亲眼看到金属电阻率随温度升高而增大，随温度降低而减小，印象深刻。汇阁这种直观、形象的实验，学生一看就明白。 2.采用放大了的鲜明、形象的显示手段。 实例 :感官变换。气体膨胀对外做功，内能减小的演示，加热试管内的气体，压强增大到一定程度，将塞子推出，发出“喘”的响声并出现“白雾”，使学生既能看到又能听到。再如研究“物体作曲线运动的条件”的演示，我们把两块蹄形磁铁排成下图形状使小球以一定的初速度进入磁场，在磁场力的作用下沿图中虚线作 曲线运动，与磁铁产生二次碰撞，最后沿虚线离开，把这个演示放在投影幻灯下做，学生看到小球在磁场力与碰时弹力作用下走“之”字形曲线，听到钢球与磁铁碰撞的声音，强化了感受，提高了兴趣。以上的改进方法就是采用放大了的鲜明、形象的显示手段，使多种感官参与感知，形成了足够的可见度、可 听度。 二 .对演示实验内容的灵活补充 ; 1.改演示实验为师生协同实验 协同实验指在教师示范的同时，学生也进行实验操作，这就是实验教学中的互动性原则。因为学生亲自动手做，更易投入，无论是操作，观察还是分析、归纳，学生的 兴趣更浓厚，也更有利于学生能力的培养。它改变了传统的老师讲解 实验，学生则听 看的模式，将师生的双边活动按需要混合在一起，更多地鼓励了学生主动参与。例如在研究影响单摆周期的因素时，单纯的演示，所有操作由老师一个人做，学生听、看效果往往不好且不能让学生信服。若改为在教师指导下学生自己去尝试用控制变量法得出影响单摆周期的因素，并自行归纳总结出结论，学生的理解和掌握就会更好。为了 更 好 地培养学生的实验技能和独立研究物理问题的能力，可以考虑把某些演示实验改为学生实验。例如，在演示凸透镜成像的规律时，把物体逐 步移近透镜，并且改变光屏的位置，分别研究 u2f、 u=2f、 fu2f、 u=f、uf各种情况的成像特点。传统的做法是教师在台上演示，学生在座位上观察并总结。这样nts 5 做有几个问题难以解决 :如所成实像光亮度不够，不同角度时观察效果有很大不同，标尺刻度较小，学生难以看清，光具座的放置方向很难做到”两全其美。如果把以上实验改为学生分组实验，利用学生实验测量凸透镜的焦距中的光具座、蜡烛和凸透镜等仪器，让学生每两人为一小组，使教师的演示和学生分组实验观察互相配合进行，学生的观察效果就会大大增强，在此基础上加以总结并得出结论就变得顺理成章。此外，由于学生直接参与了实验，增加了创造体验，印象一定比只看老师演示深刻得多。 2.增设趣味性演示实验 中学课本中的演示实验不多，并且太“理性”，不贴近现实生活， 故学生存在一种“陌生感”，接受起来效果不一定很好。如果条件允许的话，可增设一些与生活密切联系的趣味性实验，那么课堂的教学将获得意想不到的效果。例如，在大气压强的教学中，在做了马德堡半球实验后，再拿两个塑料衣钩模拟这个实验。使学生在形象、生动地贴近生活的实验中展示知识的魅力，使学生在意外的情景教学中获得知识，将收到很好的效果。 3.挖掘简易小实验 简易实验主要是指那些取材方便，简单改制常用物品就能完成的实验。例如，在演示摩擦现象时，在书中夹带的长纸带能吊起厚厚的课本。再将课本换成练习本，学生原以为练习木重量轻 ，应更易提起，实验结果失败。再将纸条换成不易被拉断的塑料条，实验又失败。这一组实验迷雾重重，在学生的预料之外却又在物理的“理”之中。这样的实验既简单又方便，每位同学都可以做。既可活跃课堂气氛，又可培养学生动手操作能力。 4. 开展实验方案设计和改进竞赛。 根据教材所涉及的内容，教师可提出一些研究的方向，启发学生自行设计实验方案。教师应定期收集学生的实验设计方案。认真审阅，对合理性强、可操作性强，实验结果准确性高的“作品”，要给予表扬和奖励。 5.自制教具，增加应用性的演示实验 麦克斯韦早在上一个世纪就明确指 出 :“一项演示实验使用的材料越简单，学生就越 熟悉 ，就越想彻底地获得所验证的结果 。 自制仪器是历代科学家的优良传统，一个科学巨人很难得到超前于科学预言的完善设备，科学的成就有许多情况下是伴随着自制仪器的成功而诞生的。另外，教材中应用性的演示实验太少了，不利于培养学生理论联系实际、应用基础的物理知识、基本的实验原理和技能去解决新问题、扩展思维的能力，所以 我认为开展 自制中学物理演示实验教具的活动，同时还 能 引导学生深入研讨教材，认真分析中学课本上的演示实验，从中发现问题、思考问题，并提出解决问题的相应办法， 不仅能使他 们学以致用，而且还可以开发他们的智力。 6.开展自制教具和“小创作、小发明”活动 在学生进行实验设计方案竞赛的基础上，让学生自行创造条件进行实验实践活动。活动方式可多种多样，既可让学生在规定时间内完成所设计项目的实践过程 又可搞现场制作赛，还可将现成的教 具改造、加工或自制教具等。 这对拓宽学生知识面，培养创新能力大有好处 。教师还要积极引导学生运用所学知识进行一些有创造性的制作，甚至一些小发明，让学生在动手、动脑、去伪存真中悟出道理，得出结论。在此过程中学生学习物理的兴趣才能得到激发，操作实验能力得到培养，思维才 不会感到约束，创造能力才能得到训练。 7.变课后习题、阅读中的实验为课堂演示实验 一些习题或阅读材料中经常会涉及一些具体的物理情景 ,我们不妨把简单易操作的 ,有趣味性的 ,对解决问题有帮助的 ,作为课堂演示实验的内容加进来 .如 :义务教育课程标准实验教科书 ,九年级物理 P81 2这道课后习题 :如图所示 ： nts 6 把长 10cm左右的饮料吸管 A插在盛水的杯子中 ,另一根吸管 B的管口贴靠在 A官的上端 .往 B管中轻轻吹气 ,可以看到 A管中的水面上升 ,着是什么原因 ?这是一道非常有趣的课后习题 ,可以作为本节 课的导入 ,改为课堂演示实验 ,激发学生学习兴趣的同时也解答了课后习题 ,有效地利用了学生的学习时间 . 8.展示、总结实验成果 为使创造活动进一步得到升华，学校 (或学科教研组 )可在每学期举办一次科技节 (或科技活动 )。在科技节中，可举行全校性的大规模实制竞赛、展览评比活动等，向全校师生展示出优胜者的创造成果和表演操作技能，吸引同学们积极参加创造活动。教师应运用激 励机制，对优秀成果及时奖励，使创造成果得到进一步的总结和推 广。 9.开展课外探索性实验 其意义如下： (1) 适当的课外活动，培养了学生利用学过的知识， 独立思考、勇于克服困难的创造精神。 (2) 课外探索性实验，可更好地为学生主动学习提供思考和创造的时间和空间。因为知识和活动之间存在有规律的相互反馈，我们在行动中获得理解，理解又影响我们的行动，行动又改变我们的理解，如此循环。 23，从而实现学生由被动学习向主动学习的转变。 (3) 课外探索性实验是对课内实验教学的一种补充，一种完善。要求学生从课题的确定 ;实验方案的设计 ;实验器材的选择到实验如何操作 ;观察哪些现象 ;怎样分析数据 ;结果是否合理 ;如何表述等，都需要独立完成。真正使学生不同程度地了解实验的真实过程 ，从而提高分析问题和解决问题的能力。 (4) 学生在 完成课外探索性实验时，将独自解释实验现象和分析 验结果，自觉运用观察、比较、概括、综合等科学方法。实验过程中遇到的任何问题都不可避免地需要自行解决。所有这些都能使学生的创新能力与实践能力得到较好的发展，使学生的科学素质得到全面提高。 (5) 学生课外实验活动的内容不少都与生活联系得比较紧密，它所涉及的知识比课内知识广泛得多，有些内容涉及到多种学科，综合要求较高。因此进行课外实验，不仅扩大了学生知识面，提高了学习物理的兴趣 ;而且培养了学生克服困难、理论联系实际 的品质。 10.开放物理实验室 除课堂实验教学外 .开放实验室，让学生到实验室去通过“动手”自主做实验，可有效拓展学生的创造空间，使学生熟悉实验、查漏补缺、活用知识、培养兴趣。在平时的分组实验中，有的学生由于动手能力差、操作方法不当造成实验误差很大，没有很好完成实验 ;有的学生因 2-3人一组，其中有人动手的机会较少，而对实验还感到陌生 ;还有的学生因实验仪器突然出现故障影响了实验任务的顺利完成。这些学生都有一种重做实验的强烈欲望，故开展这一活动适合学生的求知心理，提供了重新学习的机会。实验室的开放应注意以下几点 :开放时间。可选在每天自习或课外活动时间对学生开放，让学生有条件研究和创造，使学生能自由地进入实验室，真正遨游在知识的海洋中。仪器摆设。传统的做法是按力学、热学、电学、光学、原子物理学的顺序，按每个实验独立摆布。这样可能使学生的思维空间受到一定限制。我们可以尝试根据“设计思想”布置成几块，要求学生在设计思想下做实验。材料利用。学生除可充分使用实验室内各种仪器进行实验外，还可设立“废料利用箱”，让学生把平时弃置的易拉罐、废胶管等收集起来，供同学们选用。这样做既可节省资源，又nts 7 可培养学生勤俭节约的好习惯。组 织管理。除了安排 1一 2名实验员负责开放时间的宏观管理外，还可考虑安排若干名学生协助管理，提供指导。这样既节省了管理资源，又培养锻炼了学生的实践能力，使实验室的开放能做到有序、高效。 11.发挥演示实验教学系统的整体功能 为了提高演示实验的教学效果，除了从实验本身进行之外，同等重要的是要从发挥实验教学系统的整体功能方面去考虑。特别是教师要引导学生参与实验过程，使学生产生丰富深厚的情感。有的实验并不是令人一见而惊的。这就需要老师的语言点拔，赋予缺少生气的实验更多的价值和联想 .教师单纯地讲解，缺少生动的演示，即有 情无景，显得空虚，而教师只顾了动手操作实验，缺少生动的语言引导，会导致有景无情，显得干巴，均不利于实验教学。在做演示实验前后，讲些相应的物理学史故事、讲些生产生活中的应用与趣闻，对物理观察现象予以深入的剖析和联想，都可以激发学生主动学习物理的情感。例如 :设计“反常”实验激发学生好奇心，启发学生思维。教学中引起学生的思维冲突是激发学生兴趣的最佳手段，经验表明，当学生观察到的现象与学生自身原有思想相矛盾时，学生兴趣最浓，兴致最高。 三 .引进多媒体技术后对演示实验呈现方式的科学选择 1. 自制多媒体课件，模拟演示 物理实验 近代物理实验由于成本高受条件限制，在高中物理教材中，只是书面讲了讲，为了能给学生一个形象的、直观的认识， 可以自制 课件，利用 投影仪和大屏幕给学生们摸拟演示 诸如 :汤姆生的原子枣糕模型、卢瑟福的 a粒子散射实验等。另外，还 可以 从网上下载了一些好的软件物理摸拟实验室、光学实验室等，以供学生自己设计或观看。 2.灵活应用计算机技术辅助演示实验教学 (1) 实验数据处理 计算机提供的各种实验数据处理的软件可以方便的处理实验的数据 ,这种技术，在实验中得到了广泛的应用， 可以改变学习和教学的方式。如研究单摆满足的规律，以将摆线的长度，周期等实验数据用计算机技术进行处理。在一般情况下，实验中单凭传统手段难以完成的任务就可以通过计算机来解决。 (2) 采集物理实验数据 利用计算机借口技术和传感器技术，可是市采集物理实验中各种变化物理量数据并将数据信号输入计算机，不仅可以很好记录整个实验的过程，还可以对实验采集的数据进行分析。 3.正确处理动画与静片的关系。 根据中学生的年龄特点，决定了他们对鲜艳、逼真、动感强的动画十分感兴趣，动画演示的确也可以表现出许多优越性，它不仅能够再现事物的发生发展过程，揭示事物的本质属性以及 事物间的内在联系，而且还能够激发学生的学习兴趣，通过过程模拟，启发联想和引深探究。因此，许多设计者总是为设计一套新颖有趣的动片而绞尽脑汁。但在教学中我们不能只追求动片，静片也有其优越的一面。它便于学生长时间细致观察和思索，并且具有操作简单、制作方便等优点。所以我们不能因为片面的追求表现形式而盲目的设计动片，应该动静结合，合理搭配使用。至于选取哪一种表现形式好，唯一的衡量标准就是教学的实际需要，即看他能否促进教学目标的实现。因此，设计时一定要注意学生的年龄层次结构特点，注意做到科学、合理，注意到艺术性为教育性 服务，做到符合学生的认识规律，不能为了“动”而“乱动”，以至于妨碍了教学效果的产生。另外，在操作中还要注意各分片的定位，使得动静结合，保证教学过程中操作方便，一步到位，准确无误。 nts 8 结束语 实践出真知。没有实践，就不可能有创新 ;没有实践，不可能有发展。物理学实验是人类认识世界的一种重要实践活动，是进行科学研究的基础。本文就我国中学物理 演示 实验教学进行了一些研究 。 中学物理 演示 实验教学改革，还有赖于整个教育系统的教育目标、方针政策、经费投入等方面作保障。教学上学生实验的时间太少，学生能够用于自由支配，根据自己的爱好去做些小实验搞些小发明并进行思考钻研的时间 太少， 因此，中学物理实验教学改革的推动还有赖于各级教育部门领 的重视。新世纪基础教育课程改革已在紧锣密鼓地进行着，每一位物理教育工作者都面临着新的机遇和挑战，我们应该迎难而上，以培养适合时代发展要求的人才为己任，投身到物理课程的改革中去，希望有更多的物理教育工作者关注中学物理实验教学，从而把中学物理 演示 实验教学研究引向深入。我们相信，只要我们进一步加强学习，加强探索，加强实践，不断总结经验，坚持不懈地努力下去，就一定能达到我们所预期的效果。 参考文献 1.姚 妍妮 高中物理演示实验教学研究 2000年 11月 2.苏艳丽 新课程理念下中学物理演示实验的改进研究 东北师范大学 .2006.11 3.张超 中学物理演示实验教与学的策略研究 .华中师范大学 2005.4 4.陈安福 中学心理学 .高等教育出版社， 2002年 版 5.教育部制订全日制普通高级中学物理教学大纲人民教育出版社 2002年版 6.廖伯琴、张大昌主编全日制义务教育物理课程标准解读湖北教育出版社 2002年版 7.人民教育出版社物理室全日制普通高级中学教科书 物理 (必修 )第一册 人民教育版社 2003年版 8.卢惠林注 !实脸的教学研究、培养学生的创新能力，国际物理教育通讯， 2000年第 25期 9.何克抗 现代教育技术 北京师范大学出版社， 2003版 10.王沛青按“课改”要求深化物理实验教学改革实验教学与仪器 2003版 11.陈信余高中物理课堂实验教学的拓宽研究中学物理 2003.6版 12.胡名章 编著 演示实验与自制教具 13.施良方著学习论人民教育出版社 1994年版 14.饶黄 转变教学思想注玉培养学生实验教学能力 物理实验， 1998年 版 15.刘炳升主编科技活动创造教 育原理与设计南京师大出版社 .1999年 版 ntsCam-controlled planetary gear trains (CCPGT) are planetary gear trains with cam pairs. Chironis 1 illus-*Tel.: +886 5 6315368; fax: +886 5 6314486.E-mail address: allen.twMechanism and Machine Theory 42 (2007) 513525/locate/mechmtMechanismandMachine Theory0094-114X/$ - see front matter C211 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.trated a CCPGT in his book, as shown in Fig. 1. From the exploded view shown in Fig. 2, it is composed of acam groove (the frame), a sun gear (the output), a planetary gear, and an arm (the input). In general, the plan-etary arm rotates at constant speed, and drives the planetary gear to revolve around the sun gear and to spinaround itself simultaneously. At the same time, the planetary gear produces an oscillatory motion through thecontact of the attached roller and the cam groove. Therefore, the sun gear can produce a non-uniform motionby engaging with the planetary gear. The main advantage is that it can produce a wide range of non-uniformoutput motion. In addition, it has the advantages of higher reliability, lower cost, faster response, and higherpower transmission due to its mechanical nature. It is now at work in film drives. However, the design andIn general, a mechanism is driven by a motor at uniform speed. However, more and more researches indicate that thereare many advantages if a mechanism can be driven at non-uniform speed, and this kind of mechanism is called a variableinput mechanism. The purpose of this work is to propose a novel approach for driving a variable speed mechanism byusing a cam-controlled planetary gear train, and to investigate its feasibility by conducting prototype experiments. First,the geometrical design is performed. Then, the kinematic equations and the cam profile equations are derived based on thegeometry of the mechanism. Furthermore, the detail design process is illustrated with an example. Finally, the validity ofthe design is confirmed by kinematic and dynamic simulations using ADAMS software. In addition, the feasibility of theproposed method is verified by conducting prototype testing. The experimental results show that the CCPGT is a suitablealternative for driving variable speed mechanisms. In addition, due to its mechanical nature, the CCPGT has the advan-tages of higher reliability, faster response, and larger power output compared to a servomotor solution.C211 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.Keywords: Variable speed mechanism; Cam-controlled; Planetary gear train; Cam design1. IntroductionAn experimental study on cam-controlled planetary gear trainsWen-Hsiang Hsieh*Department of Automation Engineering, National Formosa University, Huwei, Yunlin 632, Taiwan, ROCReceived 14 April 2006; received in revised form 16 October 2006; accepted 18 October 2006Available online 19 December 2006Abstractdoi:10.1016/j.mechmachtheory.2006.10.006nts514 W.-H. Hsieh / Mechanism and Machine Theory 42 (2007) 513525analysis of the CCPGT is not easy due to its complex structure. In addition, the further study on the CCPGTcannot be easily found in literature or references.In general, a mechanism is driven by a motor at uniform speed. The state of output motion is determinedonce its kinematic dimensions are synthesized. If a mechanism can be driven at non-uniform speed, it is calleda variable speed mechanism. Since there are more free choices for altering the output motion to meet dierentmotion requirements, the mechanism can be applied to the precision forming or cutting processes. Variableinput speed mechanisms were seldom investigated before 1990. Rothbart 2 designed a cam mechanism drivenby a quick return mechanism at non-uniform speed. Tesar and Matthew 3 derived the equations of theFig. 1. Cam-controlled planetary gear train 1.Sun gear (output)Arm (input)Planetary gearCam (frame)RollerFig. 2. Exploded view of a CCPGT.ntsfollower motion under the case that the cam is driven by a variable input. Hsieh 4 firstly presented a novelapproach to improve the state of the motion of the follower by varying the input speed using a servomotor.After that, Yan et al. 58 contributed to improve the output motion characteristics of a mechanism by a ser-vomotor solution. Although the method is eective, there are still some disadvantages exist due to the utili-zation of a servo motor, for instance, higher cost, a specially designed servomotor required, slow response,and limited output power.The objective of this study is to perform the kinematic design of CCPGT mechanisms, and to investigatethe feasibility of using the mechanism to drive a variable speed mechanism. First, the geometry of a CCPGT isexamined. Next, the equations of cam profiles are developed. Moreover, a design example is given for illus-tration. Finally, a computer simulation with an experimental study is carried out to verify the feasibilityfor the proposed method and the prototype machine.2. Motion geometryThe geometry of a CCPGT is shown in Fig. 3, where Os, Op, and Ofare the centers of the sun gear, theplanetary gear, and the roller, respectively. By applying the Cosine law to the triangle nOsOpOf, formedby the three centers, we havewherebetwes pmoduanismIn additionW.-H. Hsieh / Mechanism and Machine Theory 42 (2007) 513525 515OplrOsrcrOf, the length sum of two sides in a triangle must be greater than the length of the other. That islr c r 5r* OsOf* OsOp*OpOf*4lus of both gears. Eq. (3) is a well-known result and can be found in the textbook on kinematics of mech-, therefore the proof will not be given here. Also, the position vector of the roller center isc mTp Ts23where T and T are, respectively, the number of teeth for the sun gear and the planetary gear, and m is thed =OsOpOf, k =OpOsOf, and lr OpOf(the length of the rocker). Moreover, the center distanceen the sun gear and the planetary gear islr2 c2 r2C0 2crcosk 2r2 c2 lr2C0 2clrcosd 1Fig. 3. CCPGT geometry.ntsIflr c r 6then an uncertain state exists such that the rocker will possess two dierent paths. The uncertain state of amechanism is called the change point, and the configuration is called the uncertainty configuration. TheCCPGT is then called a change point mechanism, and it should be avoided in mechanism design in general.Furthermore,hr h k 7where hrand k are the angles thatr makes with the positive x-axis and the arm, respectively, and h is the angleof the arm angular displacement, all angles are measured counterclockwise.A CCPGT with an input of angle h is shown in Fig. 4. Initially, the arm is in position 0, and the two pitchcircles of the sun and the planet gears are meshing at point P. Let the arm rotate an angle h about Os, then itwill drive both the sun gear and the planetary gear to position 2. Since the kinematic relation of a CCPGT islinear, this displacement can be resolved into two displacements based on the theorem of superposition. First,let the sun gear and the planetary gear be fixed to the arm, and the constraint between the cam and the rollerbe temporarily cancelled. Then if the arm turns around Osby an angle h, all the members except the cam willOsbygearandp516 W.-H. Hsieh / Mechanism and Machine Theory 42 (2007) 513525ossCPopoXPsPp oplrhs h n 9d d0C0 g 10where hpand hsare the angular displacements of the planetary gear and the sun gear, respectively, g (negativein clockwise) is the spinning angle of the planetary gear produced by the meshing between the roller and thecam, and d0denotes d in position 0. Moreover, n can be obtained byPosition 1 YofofofPosition 2 Position 0 hp h g 8an angle n due to the meshing with the planetary gear, and the contacting point P belonging to the sunwill move to Ps. Adding these two displacements yieldsmove to position 1. Furthermore, let the arm be fixed, and both the sun gear and the planetary gear freelyrotate around their axle. Since there is a meshing between the roller and the cam in real situation, it will forcethe planetary gear to spin around Opthrough an angle g and move to position 2, and then the contacting pointP belonging to the planetary gear, in position 0, will move to Pp. At the same time, the sun gear will spin aboutFig. 4. CCPGT displacement.ntsand then substituting Eq. (13) into Eq. (12), the equation of angular displacement between the sun gear,By dierentvelocis gandthen be computed from Eq. (15) if the input angular velocity x has been given. Furthermore, the angularvelocirespectandwhereand a3. Cam designmethod 1315. Readers are advised to consult the references for further details. Since the former is easier tounderstandthe camIt can be easily found from Fig. 5, the cam in a CCPGT is an inverse cam. Therefore the cam is fixed, andthe folland rearrW.-H. Hsieh / Mechanism and Machine Theory 42 (2007) 513525 517ower with a roller will swing if the planetary gear turns around the sun gear. Substituting d0into Eq. (1)anging it, we havethe curve family equations for rollers with dierent shapes have to be derived additionally., and the designers need not have advanced mathematical background, it will be used to synthesizeprofiles. The key point of the envelope theory method is to derive the equation of the curve family, butThe main methods of cam geometry design are the envelope theory method 912 and the conjugate surface(17) and (18) if a and aghas been found.as, a, and apare, respectively, the angular accelerations of the sun gear, the arm, and the planetary gear,gis the spin acceleration of the planetary gear. Similarly, asand apcan be found, respectively, from Eqs.as a C0TpTsapC0 a 18Tsas a C0Tpag17ties xpof the planetary gear can also be found from Eq. (16). Dierentiating Eqs. (15) and (16) withto time, respectively, we obtain the equations of angular accelerationxs x C0TpTsxpC0 x 16where xs, x, and xpare the angular velocities of the sun gear, the arm, as well as the planetary gear, and xgisthe spin velocity of the planetary gear. Moreover, xgis determined by the cam profile, therefore it is a functionof cam parameters. After the cam has been designed, xgcan be obtained. The output angular velocity xscanTsx x C0Tpx 15iating Eqs. (12) and (14) with respect to time, respectively, we have the equations of angulartythe arm, and the planetary gear can be derived as follows:hs h C0TpTshpC0 h 14n C0TpTsg 11Substituting Eq. (11) into Eq. (9), we havehs h C0TpTsg 12Also, rearranging Eq. (8) yieldsg hpC0 h 13ntswhere r is the base circle radius, r is the roller radius, and d is the angle of d at the initial position. In addi-angleSince the distance between the center of the roller and the contact point is equal to the roller radius, theFx;y;hx C0 c C1 cosh lr C1 cosc y C0 c C1 sinh lr C1 sinc 0 21whereBasedcurves,Solvingwhere518 W.-H. Hsieh / Mechanism and Machine Theory 42 (2007) 513525c h p C0 d C0g 22family of the curves for the roller generated by the relative motion between the cam and the roller is2 2of the planetary gear (the follower swing angle) as explained in Eqs. (7) and (8).b f 0tion, let the displacement of the follower beg gh 20where h and g are, respectively, the angle of the arm angular displacement (the cam angle) and the spinningd0 cosC01c lr C0rb rf2 C1 lr C1 c192 22#Fig. 5. Cam geometry.oPCoposXorblrPosition 0 Position 1 ofofYofoporfPosition 2 0on the envelope theory, the first partial derivative, with respect to the family parameter of the family ofis zero. That isoFoh 2x C0 c C1 cosh lr C1 cosc c C1 sinh C0 lr C1 sinc C1 1 C0dgdhC18C19C20C21 2y C0 c C1 sinh lr C1 sincC0c C1 cosh lr C1 cosc C1 1 C0dgdhC18C19C20C21 0 23Eqs. (22) and (23) simultaneously, the coordinates of the cam profile arex c C1 cosh C0 lr C1 cosc C6rf1 PQC18C192s 24y c C1 sinh C0 lr C1 sinc C0 MPQ25ntsanotherbe obtaineAnrb= 68.5immedandSubstiFurthermtutingEq. (28)cam proW.-H. Hsieh / Mechanism and Machine Theory 42 (2007) 513525 519dghdhC01 cos2h C0 bC1386for p 6 h 6 2p 34ore, P and Q can be found by substituting c, lr, c, g(h), and dg/dh into Eqs. (26) and (27), then substi-them into Eq. (24), the x-coordinate of the cam profile can be obtained. Finally, by substituting x intofirst, then substituting M into Eq. (25), the y-coordinate of the profile can be solved. In addition, thesubstituting c, d0and Eqs. (29) and (30) into Eq. (22), c can be calculated. Moreover, substituting the givendata to Eqs. (29) and (30) yieldsghh6C0sin2h12C20C21for 0 6 h 6 p 31andghp3C0h6sin2h C0 bC13812C20C21for p 6 h 6 2p 32Dierentiating Eqs. (31) and (32) with respect to h, we havedghdh1 C0 cos2h6for 0 6 h 6 p 33andghh C0 hh C0 bbC0b2p664775for b 6 h 6 2b 30tuting the given data to Eqs. (3) and (19),wehavec = 45 mm and d0= 2.060 rad, respectively. Thensin2ph C0 bC20C212 3ghhhbC0b2p664775for 0 6 h 6 b 29the cam angles for total rise and total return are b = p. The cycloid motion curve is adopted here for the dis-placement curve of the follower due to its continuous acceleration, its equations aresin2phC18C192 3fmm. The type of follower motion is rise and fall (RF), i.e., it has a rise and followed by a returniately, and no dwell occurs during the motion. The oscillating stroke of the follower is h = p/6, bothand the planetary gear are Ts= 30 and Tp= 15, respectively, and the modulus for two gears is m = 2. Thelength of the rocker is lr = 42.48 mm, the radii of the roller and the base circle are r = 6.5 mm andexample is given to illustrate the proposed design process. Assume the numbers of teeth for the sun gear4. Design exampleis the outer profile. By specifying the parameters and the motion curve, the cam profiles can thend from Eqs. (24) and (25).The sign in Eq. (24) means that there are two solutions for the cam profiles, one is the inner profile, andQ c C1 cosh lr C1 cosc C1 1 C0dh27M x C0 c C1 cosh lr C1 cosc 28P c C1 sinh C0 lr C1 sinc C1 1 C0dgdhC18C1926dgC18C19files designed are drawn in Fig. 6, and the solid model of the design is established by CATIA software,nts520 W.-H. Hsieh / Mechanism and Machine Theory 42 (2007) 513525Base circle Inner profile Outer profile as shown in Fig. 7. Then the model is introduced into ADAMS software for kinematic and dynamic simula-tions, their comparisons with the theoretical (analytical) angular velocity are shown in Fig. 8. Fig. 8(a) showsthat both the angular velocities of theoretical and kinematic simulation are identical; therefore the solid modelhas been exactly established. Also, the output angular velocity is continuous and smooth, therefore the angu-lar acceleration is continuous. Furthermore, since the amplitude of the angular velocity is relatively large, aCCPGT can produce a wide range of variable speeds. It is evident that the CCPGT is theoretically suitablefor the input source of a variable speed mechanism. In addition, the dynamic simulation in Fig. 8(b) indicatesthat its output angular velocity agrees fairly well with that of theoretical, except separation impacts occurbetween the roller and the cam profiles due to a clearance 0.05 mm specified.5. ExperimentTo verify the correctness of the design, a prototype is designed and made as shown in Fig. 9. In order tohave higher precision, KHK MSGA 2-30 and MSGA 2-15 ground spur gears are used for the sun gear and theFig. 6. Cam profile.Fig. 7. Solid model.ntsW.-H. Hsieh / Mechanism and Machine Theory 42 (2007) 513525 52170.00(rpm)TheoreticalKinematicplanetary gear in the prototype, respectively. An IKO CF-5B cam follower bearing is selected as the roller. Thecam is made of S45C steel, and its profiles are machined and then grinded with a CNC machine. 6902ZZ ballbearings are used for the bearings of the input shaft and the planetary gear shaft, and a 6903ZZ ball bearing isused for the output shaft. To reduce static unbalance, a balancing mass of 0.402 kg is added, and fastened tothe arm with a perpendicular distance of 51.95 mm from the axis of the sun gear, the two data are found byusing CATIA software from the solid model drawn, and then verified by ADAMS software through kinematicsimulation. Moreover, an experimental system shown in Figs. 10 and 11 is set up for measuring and testing.0.00 3.00 6.00 9.00 12.00Time (sec)50.0060.00Angular Velocity 0.00 3.00 6.00 9.00 12.00Time (sec)50.0060.0070.00AngularVelocity (rpm)TheoreticalDynamic (rf=12.95)bFig. 8. ADAMS simulations: (a) kinematic and (b) dynamic.nts522 W.-H. Hsieh / Mechanism and Machine Theory 42 (2007) 513525The system comprises a motor, a flexible coupling (TSD, MHC-1218L48), an encoder (SUMTAK, IRT320,1024 pulse/rev), and a servo amplifier (Elmo CEL 5/60) for data acquisition. To investigate the driving eectsbFig. 9. Prototype: (a) assembly drawing and (b) CCPGT.ntsW.-H. Hsieh / Mechanism a
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