数理化能力竞赛物理实验报告
趣味科技活动设施
上海市控江中学高一（11）班刘睿祺指导老师：董姣周星梅宝君准考证号码： 020******* 联系电话：159******** 136********
摘要内容
本文旨在探索用我们课堂上曾经学过的电学、光学原理，设计出一种即可运动健身又可探究学习的趣味科技活动设施，满足广大青少年朋友的室外活动的需要。
本活动设施主要由四个部分组成：1、运动器材部分：作为该活动设施的动力之源，由人体运动产生的动能经过机械结构转换成做圆周运动的机械能。2、万花显示部分：借鉴玩具万花筒的结构原理，结合光学、电学、机械学知识，设计制作可用于室外游戏的大型万花筒。3、机械传动部分：将运动产生的机械能通过机械传动带动发电机发电和万花筒转动，更主要的是作为机械传动结构的科普展示窗，寓教于乐。4、灯光显示部分：采用彩色LED光屏，作为万花筒背景图案，随着运动速度的变化，LED灯光会随着电压的改变而产生相应的变化，通过万花筒的反射产生奇妙的图案效果。
关键词：趣问科技万花筒机械传动 LED光屏科普展示
目录
1、课题成因 (02)
2、方案设计 (03)
3、意向模型 (08)
4、推广应用 (12)
5、参考文献 (14)
一、课题成因
据调查，如今社会上能在小区普及的大众化活动设施主要有：
1）滑梯组合（适用人群：幼儿）
2）健身器材（适用人群：老人）
客观现象：
儿童和老人都有适合自己的活动设施，然而7～18岁的儿童和青少年只能去游乐场和科技馆寻找满足他们需要的活动设施。
引发思考：
能不能设计一种活动设施，既好玩有趣，又具有科普教育意义？本文宗旨：
本文旨在探索趣味科技活动设施的设计与应用，希望能设计出一种即可运动健身又可探究学习的科技活动设施，满足广大青少年朋友的室外活动的需要。
二、方案设计
1）指导思想：让科学原理"活"起来，选择部分有趣、可操作性强的科学原理应用到室外活动设施的设计中，设计制作兼具科普、观赏、活动三大特点的室外活动设施。
2）设计思路：
本设施主要由以下几部分组成：
●运动器材部分：作为该活动设施的动力之源，由人体运动产生的
动能经过机械结构转换成做圆周运动的机械能，可以是脚踏、手摇或者其他各种方式的运动，它的结构类似各种运动健身器。
●万花显示部分：借鉴玩具万花筒的结构原理，结合光学、电学、
机械学知识，设计制作可用于室外游戏的大型万花筒。它与普通万花筒相比，有两点创新：
1、运用透镜成像原理，克服将万花筒结构的致命缺陷“只能用单眼窥视的方式观看”。该图像“显示屏”可以在一定距离内，采用双眼裸视的方式观看到背景绚烂多彩的“万花效果”
2、首次将彩色LED光屏应用于万花筒的背景图案。
LED光屏通过万花筒产
生的效果
●机械传动部分：将机械能通过机械传动装置转化成电能、光能和
动能，主要有三个方面的功能：
1、将运动产生的机械能通过机械传动带动发电机产生直流电，给活动设施提供所需光源。
2、通过各种齿轮和链条的传动实现万花筒后部转动。
3、它将被设计成机械传动结构的科普展示窗，它的内部科学的组合各种形式的传动结构，外部设计成透明有机玻璃罩，并配有文字说明介绍其中各种结构的名称、传动原理和典型应用，让人们在游玩中了解这些机械结构在运动方向，速度变化等方面起的作用，这样可以非常直观的寓教于乐。
●灯光显示部分：
1、彩色LED光屏，作为万花筒背景图案的重
要组成之一，具有以下特点：
①所有LED灯都具有七色且可变光的功能
②随着运动速度的变化，背景图案会随着电
压的改变而产生相应的变化。增强了活动设施与
使用者的互动性。
③利用平面镜成像原理，使“单片LED花瓣”通过光的反射，形成“整朵LED花”。
2、白光LED光带：沿透明机械装置罩内缘设计一圈LED灯带，以便该机械装置在光线不足时也可以观赏使用。
3）运作流程：
5)设计效果图:
带动机械装置
使用活动器材
LED炫彩光屏显像
万花筒转动4）结构说明图：
5)设计效果图
6)机械连动装置设计图解：
传递平行轴之间的运动，两带轮转向相同。带传动适于中心距较大的传动；传动平稳，可缓冲吸振；过载时打滑，能起安全保护作用。
蜗杆传动用于传递空间垂直交错两轴间的运动和动力；传动比大、平稳性好；一定条件下可以自锁。
齿轮传动的主要优点是：传递功率大、速度范围广、效率高、结构紧凑，工作可靠、寿命长、且能保证恒定的瞬时传动比。
单圆销槽轮是拨盘转4周，槽轮转1周，而双圆削槽轮是拨盘转2周，槽轮转1周。
能实现分度和转位等间隙回转，结构简单，制造容易，转位角一般不小于45度，并且不能调节，比单圆销槽轮传动平稳。
链传动靠链轮和链之间的啮合传递运动，而链轮之
间有挠性链条，兼有啮合传动和挠性传动的特点。
三、意向模型制作
1）万花筒
规格外壳透镜平面镜背景屏幕组成一背景屏幕
组成二
材料/原始用途直筒垃圾桶教具穿衣镜七色发光二极管透明彩色
碎石
原尺寸
现尺寸内径22厘
米，外径23
厘米，长60
厘米直径
10厘
米
约为3克/
个
数量 2 3 35 40 其他平均工作电压约
为3V，但颜色不
同，电压亦不同，
规律如下：红色的
为2.0-2.2V；黄色
的为1.8-2.0V；绿
色的为3.0-3.2V；
白光的为3.5V左
右
<1>各组成部分的实物图：
①“垃圾桶”外壳②双凹透镜
③平面镜④透明彩色碎石背景⑤七色LED背景⑥发电机
<2>运作效果图：
<3>背景屏幕电路图：
2)发电机：
品牌: KELI
型号: RS555S
分类: 单机
叶片数目: 4片
安装方式:卧式
质量：523克
尺寸：60*103*90（mm）
功率：最大功率达18W
扭力：3~35公斤
电压和转速的关系：
电压（V） 6 9 12 15 18 24 转速（转/分）20 30 40 50 60 90
四、推广应用
在实际的应用中，可结合具体的应用性质和场地的大小，进行相宜的改造（部分想法尚不成熟，但可提供意向参考）：
1)科技专题园：
当该活动设施应用于科技专题园时，可设计成巨型万花筒，使用较大功率的发电机，发电机和机械结构部分，可设计的更具有探究性和互动性，比如，可把机械传动部分设计为半成品，以鼓励游玩者自行设计，自行组装，自行玩赏。可把LED光屏扩大为电子景观墙，如此，所形成的效果也会更直观，更具有震撼力和启发性。
如图所示：
活动器材部分（本图上
的器材仅为示意）
上部：梦幻琉璃筒
下部：机械传动装置（外面
包装的为全透明塑料壳）
LED炫彩光屏
机械装置
2)小区、公园广场等普通健身场合：
当该活动设施应用于普通健身广场时，可进行简化处理，比如，仅在健身运动设施上安装一个小型发电机，发电机产生的电与电子光屏连接，可为夜晚前来健身的人们提供照明和光屏变幻的趣味。如此，工艺简单，造价低廉，方便操作，可以广泛的应用于普通健身场所的升级改造。
LED 景观墙
各类活动设施
五、参考文献
1、王怡曼《新世纪版高中物理教材》同济大学出版社 2008年第一版
2、王跃进《机械原理》北京大学出版社 2009年09月
3、百度、Google等搜索引擎进行相关检索，主要内容如下：
1）万花筒
万花筒(Kaleidoscope)，一种光
学玩具，将有鲜艳颜色的实物放于
圆筒的一端，圆筒中间放置三棱
镜，另一端用开孔的玻璃密封，由
孔中看去即可观测到对称的美丽
图像。万花筒的原理在于光的反
射，利用镜把光反射来形成图像。
1816年，苏格兰物理学家大
卫〃布鲁斯特爵士发明了万花筒。
布鲁斯特主要从事光学和光谱研究，一次，他在用多面镜子研究光的性质时，看到了几面相对放置的镜子里经过多次反射呈现出来的景象，便放了一些花纸在镜子组成的空腔里，结果，他看到了一些对称的图案，而且每变动一下花纸的位置，图案就会变换一次。为了能使图案不断地变换，他将三面成角度的镜子放在一个圆筒里，再将花纸放在筒端的两层玻璃间。随着三角镜中镜子的角度变化，影像的数目也随之变化；影像重叠后形成各种图案，不停地转动万花筒就可以看到不断变换的图案。就这样他制作出了只要轻轻转动就能看到不同图案的万花筒。
2）手摇发电机模型 - 我爱制作网（转载）
这个手摇发电机的主体是木制底座和支架，在一截
PVC水管上饶400圈漆包线做成线圈，线圈固定在支架
上。穿过支架和线圈的是一根自行车辐条做成的转轴，
套在圆珠笔芯做成的轴套里，可以自由转动。线圈里
面的一段轴，穿在一块橡皮上，橡皮两端各固定一个
圆柱形的高强度磁铁。转轴的另一端固定了一个小的转轮，是从动轮；小转轮通过一根大橡皮圈与大转轮，也就是主动轮连在一起。大转轮通过橡皮圈带动小转轮高速转动，小转轮带
动转轴，从而带动磁铁高速转动。线圈不动磁铁动，线圈内的磁通量发生周期性变化，因而产生相同频率的交流电。
3）机械原理教学视频
机械原理研究机械中机构的结构和运动，以及机器的结构、受力、质量和运动的学科。人们一般把机构和机器合称为机械。机构是由两个以上的构件通过活动联接以实现规定运动的组合体。
机构学的研究对象是机器中的各种常用机构，如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、螺旋机构和间歇运动机构(如棘轮机构、槽轮机构等)以及组合机构等。它的研究内容是机构结构的组成原理和运动确定性，以及机构的运动分析和综合。