CN104867382B - 空间弯曲模型演示器 - Google Patents
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Abstract
一种空间弯曲模型演示器，利用橡皮膜翘曲形象比喻引力所造成的弯曲空间，借助电子投影仪，模拟演示运动球体经过没有引力场的平直空间和经过存在引力场的弯曲空间时球体运行轨迹的差别，以此说明引力场的存在，即引力场周围的空间是弯曲的，空间弯曲模型演示器结构简单，操作方便，可见度大，现象直观、明显，造价低廉，演示安全，牢固耐用，易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间弯曲模型演示器，属于教学仪器，尤其是利用橡皮膜翘曲想象比喻引力所造成的空间弯曲的空间弯曲模型演示器。
背景技术
广义相对论是爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。爱因斯坦的广义相对论给出时空与物质之间的关系和它们的运动规律，时空的弯曲性质依赖于物质的分布和运动，引力被描述为时空的一种几何属性(曲率)；用弯曲的时空代替引力的作用，时空曲率大也就是引力场强，平直时空就是引力场强为零的时空。1919年，在一次日食期间，人们把太阳位于空间某处时近太阳的某些恒星的位置与太阳不在此处时这些恒星的位置进行了比较，检验了爱因斯坦这一理论的正确性。广义相对论是一种全新的时空观、运动观和物质观，这种观点的形成，是人类思想发展史中的一次根本性变革，对整个自然科学和哲学都产生了及其深远的影响。但是，普通高中教学中存在以下问题：
1、现行普通高中课程标准实验教科书历史必修第三册，第七专题第一节《近代物理学的奠基人和革命者》，教材中爱因斯坦的“时空”标题下写到：“广义相对论认为，物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的，空间的结构取决于物质的质量及其分布情况，空间弯曲的程度体现为引力场强度。空间、时间不是独立的实在，它们是物质存在的形式。”很多学生难以理解，教师在讲解时也缺少形象的教学演示仪器。
2、根据学生的爱好，在对普通高中部分学生进行近代物理学史和相对论等知识的科普讲座中，由于缺少教学演示仪器及学生的认知水平的限制，学生对广义相对论的空间弯曲缺少想象，理解理论有一定难度；学生的科学探究意识有待进一步提高。
发明内容
本发明提供一种空间弯曲模型演示器，利用橡皮膜翘曲形象比喻引力所造成的弯曲空间，借助电子投影仪，模拟演示运动球体经过没有引力场的平直空间和经过存在引力场的弯曲空间时球体运行轨迹的差别，并与经典力学中由于存在万有引力行星绕恒星的运行轨迹相对比，以此说明引力场的存在，即引力场周围的空间是弯曲的。演示操作简单，演示现象直观、形象、消耗少。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明利用印刷有方格子的橡皮膜蒙在底面为正方形的长方体支架上，橡皮膜不受压力时表面是平直的，形象比喻没有引力场的平直空间，运动球体经过没有引力场的平直空间运行轨迹符合牛顿第一定律；当橡皮膜承受支撑杆的压力时，橡皮膜翘曲、变形，支撑杆的压力越大，橡皮膜翘曲、变形的程度越大，形象比喻为引力场强度越大，空间弯曲程度(曲率)越大，以一定速度运动的球体进入存在引力场的弯曲空间时球体运行轨迹是曲线(引力场等效于加速场)，调整球体的运动速度，可以使球体运行轨迹是圆或椭圆，借助电子投影仪和辅助光源，将球体运行轨迹投影在屏幕上，以便于与经典力学中由于存在万有引力行星绕恒星的运行轨迹相对比，以此说明引力场的存在，即引力场周围的空间是弯曲的；长方体支架的上底面有正方形的卡槽，卡槽内有带卡口的硬橡胶棒，硬橡胶棒卡口内有压条，卡槽上有固定硬橡胶棒的八个卡簧，给橡皮膜施压的支撑杆下端有一橡胶吸盘，支撑杆可调高度，并固定在可以升降的支撑杆支架上，支撑杆支架插入长方体支架的一个支腿中，长方体支架四个支腿下都有橡胶垫；长方体支架外有一个带有拉链并有内兜的避光、便携软包装箱。
本发明的有益效果是：通过空间弯曲模型演示器的模拟演示实验能让学生形象的感知引力场周围的空间是弯曲的，加深学生对相对论的理解，有利于学生形成科学的时空观、运动观和物质观，提高学生的科学素养。空间弯曲模型演示器结构简单，操作方便，可手持演示器在教室内移动，全方位观看，可见度大，现象直观、明显，造价低廉，演示安全，牢固耐用，易于推广。
附图说明
图1为空间弯曲模型演示器的立体结构图。
图2为带卡口的硬橡胶棒剖面放大图。
101为可以升降的支撑杆支架，102为支撑杆支架固定螺丝，103为支撑杆固定螺丝，104为支撑杆下端的橡胶吸盘，105为固定硬橡胶棒的卡簧，106为正方形的卡槽，107为长方体支架，108为印刷有方格子的橡皮膜。
201为带卡口的硬橡胶棒，202为卡口内的压条。
具体实施方式
在图1实施例中，可以升降的支撑杆支架(101)，支撑杆支架固定螺丝(102)，支撑杆及支撑杆固定螺丝(103)，正方形的卡槽(106)，长方体支架(107)均采用不锈钢材质，印刷有方格子的橡皮膜(108)选用弹性好的天然乳胶橡皮膜；长方体支架高23cm，上底面正方形边长35cm，卡槽宽、深均为2cm。
在图2实施例中，卡口内的压条(202)选用强度高、弹性好的玻璃钢材质。
附件有小钢球3个，易损件有印刷有方格子的橡皮膜5张，分别封装在易拉口塑料袋内。
空间弯曲模型演示器长期不用时，将支撑杆橡皮膜及时取下，橡皮膜放入易拉口塑料袋内，放在包装箱内兜中，隔氧避光保存。
Claims (1)
1.一种空间弯曲模型演示器，包括底面为正方形的长方体支架，印刷有方格子的橡皮膜、正方形的卡槽、带卡口的硬橡胶棒及给橡皮膜施压的支撑杆，其特征是：长方体支架的上底面有正方形的卡槽，卡槽内有带卡口的硬橡胶棒，硬橡胶棒卡口内有压条，卡槽上有固定硬橡胶棒的八个卡簧，给橡皮膜施压的支撑杆下端有一橡胶吸盘，支撑杆可调高度，并固定在可以升降的支撑杆支架上，支撑杆支架插入长方体支架的一个支腿中，长方体支架四个支腿下都有橡胶垫，利用印刷有方格子的橡皮膜蒙在底面为正方形的长方体支架上，橡皮膜不受压力时表面是平直的，当橡皮膜承受支撑杆的压力时，橡皮膜翘曲、变形，球体可以在橡皮膜上滚动。
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