CN104485039A - 作用力平衡定律实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种作用力平衡定律实验装置，特别是采用了轻质圆形全周量角器的作用力平衡定律实验装置，属于实验工具、教具或学习用品。而本实验装置由圆形量角器、细线、弹簧秤与支撑环组成，支撑环上有挂孔，量角器有一个中心开孔；细线的一端穿过量角器的中心开孔固定连接在一起，细线的另一端连接弹簧秤的一端，弹簧秤的另一端钩在支撑环上的挂孔里。实验装置可以连接多根细线和弹簧秤，通过调整细线的长短与弹簧秤钩在支撑环上挂孔的位置改变力的大小与方向。力的大小直接从弹簧秤上读出、力的方向直接从量角器上读出。本实验装置具有结构简单、成本低廉、使用方便等特点，在力学实验、作用力平衡定律验证与学习研究中有广泛的应用价值。

Description

作用力平衡定律实验装置

技术领域

本发明涉及一种作用力平衡定律实验装置，特别是采用了轻质圆形全周量角器的作用力平衡定律实验装置，属于实验工具、教具或学习用品。

背景技术

力是矢量，既有大小又有方向，力的合成或平衡符合数学的矢量和，而矢量和的运算又符合平行四边形法则或三角形法则。

物理课程中经常遇到多个力的矢量和或平衡问题，由于多个力的合成不是很直观、较为抽象，其矢量的关系也较为复杂，因此需要通过实验来进行演示、验证作用力平衡原理。

通常这类实验只能做两个力关系的试验，而需要进行多个力平衡实验时通常也只能采用简易的手工操作，测量困难、精度不准，效果很不理想，影响教学质量与学习效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

1、可对多个平衡力同时进行测量的实验装置；

2、实验装置可以方便地改变力的大小与方向；

3、力的大小与方向可以直接在实验装置上读出。

本发明提供了一种作用力平衡定律实验装置。

本发明所要解决的技术问题是通过下述技术方案实现的。

一种作用力平衡定律实验装置，用于作用力平衡实验；作用力平衡定律实验装置主要由圆形量角器、细线、弹簧秤与支撑环组成，支撑环上有分布的挂孔，圆形量角器有一个中心开孔；多根细线的一端穿过圆形量角器的中心开孔固定连接在一起，每根细线的另一端连接弹簧秤的一端，弹簧秤的另一端钩在支撑环上的挂孔里。

圆形量角器也可以有多个，全部或部分圆形量角器在中心开孔之间通过细线和弹簧秤相互连接，或者部分圆形量角器全部通过细线和弹簧秤与其它圆形量角器连接。

支撑环为圆形环、椭圆形环、多边形环或不规则形状环；圆形量角器采用360分度或100分度的轻质圆形全周量角器；细线也可以采用轻质细绳或轻质橡皮筋；弹簧秤采用轻质机械弹簧秤或轻质数显电子秤。

作用力平衡定律实验装置有两种形式：单个圆形量角器的形式与多个圆形量角器的形式。多量角器形式中其多个量角器构成一个力学系统，复杂的力学系统中与支撑环连接的圆形量角器称为力学系统的外量角器，仅与其它圆形量角器连接的量角器称为力学系统的内量角器。

多个圆形量角器构成的力学系统所受的外力由圆形量角器与支撑环之间的弹簧秤显示，力学系统内部圆形量角器之间的内部相互作用力由圆形量角器之间的弹簧秤显示。

作用力平衡定律实验装置通过在支撑环不同位置的挂孔连接多根细线和弹簧秤对多个力进行测量、实验。作用力平衡定律实验装置可以通过调整细线的长短与弹簧秤钩在支撑环上挂孔的位置非常方便地改变力的大小与方向。力的大小可以直接从弹簧秤上读出、力的方向可以直接从圆形全周量角器上读出。

由多个圆形量角器构成作用力平衡定律实验装置甚至可以测量显示力学系统内部的相互作用力，使得看不见的、抽象的力的相互作用以及内部作用力与外部作用力之间的相互关系简单直观地展现出来。

力是矢量，符合矢量运算法则。但多个力——矢量的运算则比较复杂抽象，作用力平衡定律实验装置是一种可以提供形象观察、精确测量与平衡定律验证的工具。

通过作用力平衡实验可以得出结论：一个没有质量的物体所受的力恒平衡，即：零质量物体所受力的矢量和恒为零。这个结论称为零质量受力平衡定律，简称受力平衡定律。

由此还可以得出一个推论：一个没有惯量的物体所受的力偶矩恒平衡，即：零惯量物体所受力偶矩的矢量和恒为零。这个结论称为零惯量力偶矩平衡定律，简称力偶矩平衡定律。

由于零质量物体的惯量自然为零，因此零质量物体既满足受力平衡定律、又满足力偶矩平衡定律，则两个定律统一表述为：一个没有质量的物体所受的力恒平衡、所受的力偶矩恒平衡，即：零质量物体所受力的矢量和恒为零、所受力偶矩的矢量和恒为零。这个结论称为：零质量作用力平衡定律，简称：作用力平衡定律或力衡定律。

选取任意一点为转心或任意定轴，可以得到另外一个推论：一个没有惯量的物体所受的力矩恒平衡，即：零惯量物体所受力矩的矢量和恒为零。这个结论称为零惯量力矩平衡定律，简称力矩平衡定律。由于力矩的测量比力偶矩的测量更为容易，因此力矩平衡定律更为常用。

由此作用力平衡定律还可以表述为：一个没有质量的物体所受的力恒平衡、所受的力矩恒平衡，即：零质量物体所受力的矢量和恒为零、所受力矩的矢量和恒为零。

作用力平衡定律实验装置的圆形量角器、细线和弹簧秤均为轻质物体，质量很小可近似为零，由此构成力学系统的受力关系符合作用力平衡定律。由于力矩为受力与对应力臂长度的乘积，因此通过对作用力平衡实验数据的分析与计算，作用力平衡定律可以得到验证。

作用力平衡定律实验装置是带有力大小与方向的测量装置，具有结构简单、成本低廉、使用方便等特点，在力学实验、作用力平衡定律验证、学习研究与教学实践活动中有广泛的应用价值。

附图说明

图1由圆形支撑环与单个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置。

图2由正方形支撑环与单个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置。

图3由椭圆形支撑环与两个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置。

图4由长方形支撑环与两个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置。

图5由圆形支撑环与三个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置。

图6由不规则形状支撑环与四个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置。

图7由不规则形状支撑环与四个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置。

图中各数字代号标记表示的对象如下：

1、圆形量角器 2、细线 3、弹簧秤 4、中心开孔 5、支撑环 6、挂孔

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

实施例

一种作用力平衡定律实验装置，用于作用力平衡实验，同时也可以用于力学实验、作用力平衡定律验证与学习研究。

由圆形支撑环与单个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置的结构如图1所示。

由正方形支撑环与单个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置的结构如图2所示。

由椭圆形支撑环与两个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置的结构如图3所示。

由长方形支撑环与两个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置的结构如图4所示。

由圆形支撑环与三个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置的结构如图5所示。

由不规则形状支撑环与四个圆形量角器构成的作用力平衡定律实验装置的结构如图6与图7所示。

作用力平衡定律实验装置主要由圆形量角器1、细线2、弹簧秤3、支撑环5组成。支撑环5采用金属环或塑料环，支撑环5上有分布的单排或多排挂孔6。圆形量角器1有一个较小的中心开孔4，中心开孔4又称集线孔，多根细线2的一端穿过圆形量角器1的中心开孔4并通过打结、粘连或捆扎一个小物件等形式固定连接在一起，每根细线2的另一端通过打结等方式各连接到对应弹簧秤3的一端，弹簧秤3的另一端钩在支撑环5上的挂孔6里。

圆形量角器1可以有多个，有些实验装置的全部圆形量角器1之间通过细线2和弹簧秤3相互连接，有些实验装置的部分圆形量角器1之间通过细线2和弹簧秤3相互连接，有些实验装置有部分圆形量角器1全部通过细线2和弹簧秤3与其它圆形量角器1连接。

支撑环5采用圆形环、椭圆形环、多边形环或不规则形状环。

细线2采用轻质细绳或轻质橡皮筋，用富有弹性的橡皮筋更便于调整拉力的大小。

圆形量角器1采用360分度或100分度的圆形全周量角器，100分度相对更为直观。

圆形量角器1采用轻质圆形量角器，可以减少由于量角器1的自重对测量结果的影响。

弹簧秤3采用轻质机械弹簧秤或轻质数显电子秤，可以减少由于弹簧秤3的自重对测量结果的影响。

由于机械弹簧秤与橡皮筋都富有弹性，机械弹簧秤与橡皮筋受力时都会产生拉伸形变，机械弹簧秤与轻质细绳配合、数显电子秤与橡皮筋配合、特别是机械弹簧秤与橡皮筋配合，使用时拉力大小的调整非常容易、方便。

作用力平衡定律实验装置通过多根细线2与多个弹簧秤3对多个拉力同时进行测量实验，并且还可以通过改变细线2的长短调整拉力的大小。

支撑环5为圆形环、椭圆形环或多边形环，也可以是不规则形状环，支撑环5上分布的挂孔6便于弹簧秤3通过使挂钩固定在支撑环5上的不同位置，调整细线2的受力方向。

作用力平衡定律实验装置由于弹簧秤3所钩挂孔6的位置不同时其挂孔6至圆形量角器1中心开孔4的距离也不同，因而弹簧秤3在调整挂孔6位置的同时也自然调整了细线2的拉力大小，有助于产生丰富多样的受力数据。

单个圆形量角器的作用力平衡定律实验装置其细线2受力的大小可以直接从与之相连的弹簧秤3上读出、受力的方向可以直接从与之相连的圆形量角器1上读出。

多个圆形量角器的作用力平衡定律实验装置其细线2受力的大小也可以直接从与之相连的弹簧秤3上读出。两个由细线2与弹簧秤3直接连接的相邻圆形量角器1之间基准方向的角度差为细线2在两个相邻圆形量角器1上的角度读数之和与半周角度之差。所有圆形量角器1可以据此将基准角度统一校正为同一个方向，细线2受力的方向可以直接从与之相连的圆形量角器1上读出；或圆形量角器1测得的方向与该圆形量角器基准方向相对于某个参考圆形量角器基准方向的角度差进行叠加即为所测力的方向。

物体所受的合力对于零质量物体所受的合力物体所受的合力偶矩或合力矩对于零惯量物体所受的合力偶矩或合力矩

作用力平衡定律实验装置的圆形量角器、细线与弹簧秤都为轻质物体，因此对细线上的受力影响较小，特别当细线上的拉力较大时，圆形量角器、细线与弹簧秤的自重对受力测量的影响可以忽略。

受力平衡定律与力矩平衡定律以及作用力平衡定律可以通过作用力平衡定律实验装置的实验与计算进行较为精确的验证。

零质量物体的惯量为零，而轻质物体可视为质量为零，因此轻质物体的受力分析、力偶矩分析或力矩分析符合作用力平衡定律原理。

由于在力学分析与研究中轻质物体的使用非常普遍，因此，作用力平衡定律的应用非常广泛，用于作用力平衡实验、作用力平衡定律验证与研究的作用力平衡定律实验装置因而也具有很大的应用价值。

Claims (3)

1.一种作用力平衡定律实验装置，用于作用力平衡实验；其特征在于：

作用力平衡定律实验装置主要由圆形量角器、细线、弹簧秤与支撑环组成，支撑环上有分布的挂孔，圆形量角器有一个中心开孔；多根细线的一端穿过圆形量角器的中心开孔固定连接在一起，每根细线的另一端连接弹簧秤的一端，弹簧秤的另一端钩在支撑环上的挂孔里。

2.按权利要求1所述的作用力平衡定律实验装置，其特征在于：

所述的圆形量角器也可以有多个，全部或部分圆形量角器在中心开孔之间通过细线和弹簧秤相互连接，或者部分圆形量角器全部通过细线和弹簧秤与其它圆形量角器连接。

3.按权利要求1或权利要求2所述的作用力平衡定律实验装置，其特征在于：

所述的支撑环为圆形环、椭圆形环、多边形环或不规则形状环；

所述的圆形量角器采用360分度或100分度的轻质圆形全周量角器；

所述的细线也可以采用轻质细绳或轻质橡皮筋；

所述的弹簧秤采用轻质机械弹簧秤或轻质数显电子秤。