CN100487752C - 科氏惯性力实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的科氏惯性力实验装置，属物理力学实验装置。它包括：主架(12)、可水平旋转的转动支架(18)、平板(6)、引电器(11)、控制仪(23)，其中转动支架(18)上安装有驱动平板(6)在竖直面转动的装置，带有换向挡块的导轨(2)通过单分力传感器安装在平板(6)上，所述导轨(2)上安装有电动小车(1)。该装置，能够实现动坐标系旋转与动点运动方向成任意角度时的科氏惯性力的演示。同时，通过单分力传感器直接测量科氏惯性力的大小，通过控制仪，传递给计算机。若在平板上增加皮带轮演示组件，通过皮带向里或向外的收合现象，更加形象、生动、直观的观察运动物体在非惯性系中所产生科氏惯性力的现象。
Description
技术领域
本发明的科氏惯性力实验装置，属于物理力学实验装置技术领域。
背景技术
牛顿运动定律(包括由此推出的动力学普遍定理)只适用于惯性系。对于非惯性系，物体在非惯性系中运动时，就会产生科氏惯性力。就我们地球而言，由于地球的自转，地球作为动参考系，就是非惯性系。由地球自转产生的科氏惯性力可以解释许多现象，如南北行驶的火车两轨道磨损不一样；南北流向的河流两岸冲刷程度不同；傅科摆摆动平面的进动等。科氏惯性力具有“虚假”和“真实”两重特性，其虚假性表现为它不是物体之间的相互作用，没有施力物体，也不存在反作用力，它的大小与参考系的运动密切相关，不符合力的定义；其真实性表现为身处非惯性系的观察者可以真实地感觉到它的存在。在赤道附近以33m/s运动的物体的科氏惯性力最大约为重力的万分之五。因此，在很多实际工程技术中，将地球看作惯性系获得的结果已足以满足准确要求。然而，对于另外一些问题，如远程炮弹的运动时，就必须考虑地球自转的影响了。第一次世界大战期间，英国炮手在马尔维纳斯群岛海战中发射的炮弹经常落在德国战舰的左方而不能命中，就是由于科氏惯性力影响所至！
在理论力学实验教学中，目前有两种科氏惯性力演示实验装置。
第一种，是由清华大学研制的“地球科氏力演示实验装置”，专利申请号为00238626.7。该装置由底座、柱体、转盘、摆球、支架、斜板、滚球组成。该装置利用小球从斜坡上滚下时向侧向的偏移，演示科氏惯性力的作用；利用摆球演示付科摆的原理。然而该装置虽然能让学生观察到科氏惯性力影响的现象，但仅限于演示一种状态下科氏惯性力影响的现象，转盘旋转速度不知并不能控制，滚球滚动速度不知亦不能控制，不能根据实验教学要求调整科氏惯性力影响的现象，滚球只能沿一个方向滚动。
第二种，是某些大学(包括天津大学)理论力学演示实验用的“科里奥力演示仪”，用于观察科氏惯性力存在的现象。该类装置包括一个固定支架、并在固定支架上建立了一个可转动的圆盘，圆盘上装有一个或两个小电机，并由皮带相连接。当圆盘转动，同时皮带也作直线运动时，由于动坐标系的转动和动点在动坐标系上的相对运动，即产生了科氏惯性力，它促使皮带向中间靠拢或分开。该演示仪能够观察到科氏惯性力影响的现象，但只能演示动系旋转轴z与动点运动方向(皮带运动的方向)与之垂直(即θ为90°)时的科氏惯性力影响的现象；只能定性分析科氏惯性力，不能定量测量科氏惯性力值。并且其作为动系的转盘只能改变旋转方向，不能改变旋转角速度；不能无级调整改变皮带的运动速度。
总之，以上两种装置都只能给学生演示动坐标系旋转轴z与动点运动方向与之垂直(即θ为90°或θ为某一定角度)时的科氏惯性力影响的现象；都不能够演示动坐标系旋转轴z与动点运动方向成任意角度(即θ角度可变)时，科氏惯性力影响的现象，包括都不能够演示动坐标系旋转轴z与动点运动方向平行(即θ为零)时，科氏惯性力为零的现象；都不能够定量测量科氏惯性力值。
发明内容
本发明的目的是提供一套能够演示动坐标系旋转轴z与动点运动方向成任意角度(即θ角度可变，包括θ为零)时科氏惯性力影响的现象，同时可以实现力值定量测量的，操作简便的科氏惯性力实验装置。
由理论力学知，科氏惯性力(矢量)为 FIC＝-m(2ωe×vr)
大小为FIC＝-m(2ωevrsinθ)
其中m为质量，ωe为转动支架旋转的角速度，vr为电动小车的运动速度，θ为ωe和vr的夹角。
一种科氏惯性力实验装置，其特征在于包括：主架、安装在主架上并与旋转驱动装置相连的可水平旋转的转动支架、安装在转动支架上的平板、引电器、控制仪，其中转动支架上安装有驱动平板在竖直面转动的第三调速电机和传动机构，还安装有测量平板转角的角度传感器及第一限位开关和第二限位开关；带有换向挡块的导轨通过测量导轨垂直方向受力的第一单分力传感器和第二单分力传感器安装在所述平板上，所述导轨上安装有电动小车。
本发明的科氏惯性力实验装置，能够实现动坐标系旋转轴与动点运动方向成任意角度时的科氏惯性力演示。同时，通过单分力传感器直接测量科氏惯性力的大小，通过控制仪，传递给计算机，在计算机上可直接得到科氏惯性力值，从而帮助学生(或学习者)更好的理解和掌握科氏惯性力。电动小车运动导轨通过平板转动中心，而测量科氏惯性力的传感器为单分力传感器，只感受导轨y方向的力，不感受导轨x、z方向的力，因此，转动支架旋转产生的x方向的离心力对测量科氏惯性力值的传感器没有影响。其中，x，y，z为坐标轴。
若在上述的科氏惯性力实验装置，再增加皮带轮演示组件，即：在所述的平板上安装第一演示皮带盘、第二演示皮带盘、演示皮带及第一调速电机组成的皮带轮演示系统。通过演示皮带向里或向外的收合现象，形象、生动、直观的观察运动物体在非惯性系中所产生科氏惯性力的现象。皮带轮演示系统和导轨、电动小车、单分力传感器组成的测量演示组合系统，实现定性分析、定量测量，简单、直观、生动。
附图说明
图1是科氏惯性力实验装置示意图。
图1中标号及符号名称：1.电动小车，2.导轨，3.演示皮带，4.第一演示皮带盘，5.第一单分力传感器，6.平板，12.主架，18.转动支架，21.第二单分力传感器，22.第二演示皮带盘，23.控制仪，24.计算机；X，Y，Z为坐标轴，ωe为转动支架18的旋转的角速度，vr为电动小车1的运动速度，θ为ωe和vr的夹角。
图2是科氏惯性力实验装置结构示意图。
图2中标号名称：7.第一调速电机，8.传动机构，9.角度传感器，10.第一限位开关，11.引电器，13.调节角撑，14.第二调速电机，15.小皮带轮，16.传动皮带，17.大皮带轮，19.第三调速电机，20.第二限位开关。
具体实施方式
根据图1及图2所示：第二调速电机14与小皮带轮15同轴，且与大皮带轮17一起安装在主架12上，传动皮带16安装在小皮带轮15和大皮带轮17中，大皮带轮17与转动支架18同轴，平板6通过传动机构8与转动支架18连接，实现了第二调速电机14带动转动支架18和平板6绕z轴旋转；第三调速电机19安装在转动支架18上，通过传动机构也与平板6连接，因此，平板6既随同转动支架18绕z轴旋转，又由第三调速电机19带动其绕y轴转动；平板6与y轴倾角θ的大小通过角度传感器9传递信号给控制仪23；平板6绕y轴旋转，在θ角分别为0°、90°时由第一限位开关10和第二限位开关20保护；第一单分力传感器5和第二单分力传感器21安装在平板上，导轨2安装在第一单分力传感器5和第二单分力传感器21上，导轨两边都带有换向挡块，电动小车1是导轨滚动机构与小电机的组合体，在导轨2上，打开电动小车1的开关，即可在导轨2中运行，当平板6随着转动支架18绕z轴旋转、同时绕y轴转动倾角θ时，导轨下面第一单分力传感器5和第二单分力传感器21就能测量出此时电动小车1的科氏惯性力值的大小。
第一调速电机7与第一演示皮带盘4同轴连接与第二演示皮带盘22一起安装在平板6上，演示皮带3安装在第一演示皮带盘4和第二演示皮带盘22中，实现了第一调速电机7带动演示皮带3的运动。
角度传感器9、第一单分力传感器5、第二单分力传感器21的信号、第一调速电机7与第三调速电机19的电源以及控制信号均通过引电器11与控制仪23连接。通过控制仪分别对演示皮带3的运动方向及线速度、转动支架18绕z轴旋转的方向及角速度、平板6绕y轴转动的倾角θ进行操作，使三个独立驱动机构形成各种组合运动，可观察到演示皮带3的张开和合拢，根据演示皮带3张开和合拢的大小，对科氏惯性力进行定性分析，实现全面演示科氏惯性力方向及大小变化的现象；当转动支架18绕z轴顺时针或逆时针以一定角速度旋转，电动小车1在导轨2上运行时，通过第一单分力传感器5和第二单分力传感器21，可测量电动小车1科氏惯性力值的大小，由控制仪传递给计算机24，在计算机24上直接得到电动小车1的科氏惯性力值。
(1)当转动支架18顺时针或逆时针旋转，演示皮带3不动时，电动小车1不动，虽然有动坐标系的转动而没有演示皮带3、没有电动小车1的相对运动，此时不产生科氏惯性力。
(2)当转动支架18不旋转，演示皮带3运动，电动小车1运行时，因只有相对运动而没有动坐标系的转动，此时也不产生科氏惯性力。
(3)当转动支架18顺时针或逆时针旋转，同时演示皮带3也顺时针或逆时针运动时，电动小车1在导轨2上运行，由于动坐标系的转动和动点在动坐标系上的相对运动，产生了科氏惯性力，它促使演示皮带向两边分开或向中间合拢(皮带的张开或合拢决定于ωe、vr的方向)，单分力传感器测量到电动小车1产生的科氏惯性力值的大小。当θ为0度时，科氏惯性力为0；θ为90度时，科氏惯性力为最大。
(4)改变转动支架18的旋转方向和角速度或改变演示皮带3的运动方向或线速度，都可以改变演示皮带向向两边分开或向中间合拢的大小。
(5)改变平板6的倾角θ，可改变演示皮带3向两边分开或向中间合拢的大小。
(6)改变转动支架18的旋转方向和角速度，改变平板6的倾角θ，都可改变电动小车1产生的科氏惯性力值的大小。
通过转动支架的旋转方向和速度、演示皮带的运动方向和速度保持不变，仅改变平板的倾角θ，可形象地解释：在地球不同纬度上沿经度方向运动的物体产生科氏惯性力的大小是不同的，经过地球赤道与经度焦点处运动的物体不产生科氏惯性力。
另外，所述的第一单分力传感器5和第二单分力传感器21为高精度应变式传感器。电动小车1可以为导轨滚动机构与独立小电机的组合，也可以为弹射运动件，还可以是导轨牵引机构。导轨2可以是带换向挡块的圆形截面导轨，也可以是带换向挡块的梯形截面导轨。传动机构8可以为蜗轮副或丝杆连杆机构。角度传感器9可以为光电分度式传感器或光栅编码式传感器。引电器11可以为碳刷式引电器或水银式引电器。演示皮带3可以为三角形皮带或0形皮带或同步齿皮带。第一调速电机7、第三调速电机19、第二调速电机14可以为变频调速电机或直流调速电机。
参考图1及图2所示，本发明实验装置的另一种结构为：无第一演示皮带盘4、和第二演示皮带盘22、演示皮带3及第一调速电机7组成的皮带轮演示系统，有导轨2、电动小车1、第一单分力传感器5、第二单分力传感器21组成的科氏惯性力测量系统，其他部件如图1及图2所示，不变。
参考图1及图2所示，本发明实验装置的另一种结构为：无导轨2、电动小车1、第一单分力传感器5、第二单分力传感器21组成的科氏惯性力测量系统，有第一演示皮带盘4、第二演示皮带盘22、演示皮带3及第一调速电机7组成的皮带轮演示系统，其他部件如图1及图2所示，不变。
Claims (10)
1.一种科氏惯性力实验装置，其特征在于包括：主架(12)、安装在主架(12)上并与旋转驱动装置相连的可水平旋转的转动支架(18)、安装在转动支架(18)上的平板(6)、引电器(11)、控制仪(23)，其中转动支架(18)上安装有驱动平板(6)在竖直面转动的第三调速电机(19)和传动机构(8)，还安装有测量平板(6)转角的角度传感器(9)及第一限位开关(10)和第二限位开关(20)；带有换向挡块的导轨(2)通过测量导轨垂直方向受力的第一单分力传感器(5)和第二单分力传感器(21)安装在所述平板(6)上，所述导轨(2)上安装有电动小车(1)。
2.根据权利要求1所述的科氏惯性力实验装置，其特征在于：所述的第一单分力传感器(5)和第二单分力传感器(21)为高精度应变式传感器。
3.根据权利要求1或2所述的科氏惯性力实验装置，其特征在于：所述的旋转驱动装置包括第二调速电机(14)、与第二调速电机(14)同轴安装的小皮带轮(15)、传动皮带(16)、与转动支架(18)同轴安装的大皮带轮(17)。
4.根据权利要求3所述的科氏惯性力实验装置，其特征在于：所叙述的传动机构(8)为蜗轮副或丝杆连杆机构。
5.根据权利要求3所述的科氏惯性力实验装置，其特征在于：所述的角度传感器(9)为光电分度式传感器或光栅编码式传感器。
6.根据权利要求3所述的科氏惯性力实验装置，其特征在于：所述的引电器(11)为碳刷式引电器或水银式引电器。
7.根据权利要求3所述的科氏惯性力实验装置，其特征在于：所述的演示皮带(3)为三角形皮带或O形皮带或同步齿皮带。
8.根据权利要求3所述的科氏惯性力实验装置，其特征在于：所述的第一调速电机(7)、第三调速电机(19)、第二调速电机(14)为变频调速电机或直流调速电机。
9.根据权利要求3所述的科氏惯性力实验装置，其特征在于：导轨(2)为圆形或梯形截面导轨。
10.根据权利要求1或2所述的科氏惯性力实验装置，其特征在于：所述的平板(6)上安装有由第一演示皮带盘(4)、第二演示皮带盘(22)、演示皮带(3)及第一调速电机(7)组成的皮带演示系统。
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