CN106373465A - 一种探究圆周运动的演示互动装置 - Google Patents

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韩贤会
王灿
秦承运
朱云龙
吴巍巍
戴海波
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Abstract

本发明涉及科普教育技术领域，尤其涉及一种探究圆周运动的演示互动装置，包括箱体及设在箱体上的旋转组件，旋转组件通过皮带与变频电机相连；在旋转组件的中间设有LED灯柱，按照对称固定于所述LED灯柱两侧的是两个中空的弧形容器，在两个中空的弧形容器内各设有一个小球；在箱体上还设有控制系统，其包括触摸屏和运动控制卡。本发明通过控制变频电机的转速实现对两个中空的弧形容器的变速旋转，从而带动分别设在两个中空的弧形容器内的小球在圆周运动的过程中受力而上升到不同的高度，通过控制系统不仅让学生通过演示直观了解圆周运动，还能让学生通过改变参数，公式推导对圆周运动中的向心力、力的分解等知识进行学习的探究圆周运动的演示互动装置。

Description

一种探究圆周运动的演示互动装置
技术领域
本发明涉及科普教育技术领域，尤其涉及一种探究圆周运动的演示互动装置。
背景技术
圆周运动是物理学中的重要知识点。教师在教学过程中，一般通过画图的方式帮助学生理解，既不直观也缺乏趣味性，学生不能将现象与数值相结合的理解。目前有关圆周运动的实验演示器材，功能简单、单一，基本上停留在定性层面上。如公开号CN 103794117A，CN105070155 A，CN204143706 U等专利功能简单，基本停留在定性层面，不能定量探究，不能使学生通过改变参数去探究圆周运动的特点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供的一种不仅让学生通过演示直观了解圆周运动，还能让学生通过改变参数，公式推导对圆周运动中的向心力、力的分解等知识进行学习的探究圆周运动的演示互动装置。
为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：
一种探究圆周运动的演示互动装置，包括箱体及设在所述箱体上的旋转组件，所述的旋转组件通过皮带与变频电机相连；在所述的旋转组件的中间设有LED灯柱，在所述LED灯柱内设有呈直线整列排列的LED灯珠，按照对称固定于所述LED灯柱两侧的是两个中空的弧形容器，两个中空的弧形容器固定后呈半圆形状，在两个中空的弧形容器内各设有一个小球；在所述箱体上还设有控制系统，所述的控制系统包括触摸屏和运动控制卡，所述的运动控制卡用于控制所述变频电机的转速及LED灯珠的开关，所述的触摸屏与所述的运动控制卡通讯连接。
优选地，在所述的箱体顶端还设有防护罩。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明一种探究圆周运动的演示互动装置，通过控制变频电机的转速实现对两个中空的弧形容器的变速旋转，从而带动分别设在两个中空的弧形容器内的小球在圆周运动的过程中受力而上升到不同的高度，通过控制系统不仅让学生通过演示直观了解圆周运动，还能让学生通过改变参数，公式推导对圆周运动中的向心力、力的分解等知识进行学习的探究圆周运动的演示互动装置。
附图说明
图1为本发明主视结构示意图；
图2为本发明侧视结构示意图；
图3为本发明俯视结构示意图；
图4为本发明小球7的受力分析结构示意图。
图4中：F为弧形容器内壁对小球的支持力，G为小球的重力，f为小球做圆周运动的向心力，H为小球停留在弧形容器内壁的高度，R为弧形容器的半径。
具体实施方式
参见附图1-4所示，一种探究圆周运动的演示互动装置，包括箱体1及设在所述箱体1上的旋转组件2，所述的旋转组件2通过皮带3与变频电机4相连；在所述的旋转组件2的中间设有LED灯柱5，在所述LED灯柱5内设有呈直线整列排列的LED灯珠，按照对称固定于所述LED灯柱5两侧的是两个中空的弧形容器6，两个中空的弧形容器6固定后呈半圆形状，在两个中空的弧形容器6内各设有一个小球7；在所述箱体1上还设有控制系统，所述的控制系统包括触摸屏8和运动控制卡，所述的运动控制卡用于控制所述变频电机4的转速及LED灯珠的开关，所述的触摸屏8与所述的运动控制卡通讯连接。
优选地，在所述的箱体1顶端还设有防护罩9。
具体操作方式及工作原理为，本发明一种探究圆周运动的演示互动装置，具体见附图1-3所示，通过在控制系统的触摸屏8内输入变频电机4的转速参数后，变频电机4转动通过皮带3带动旋转组件2的旋转，旋转组件2旋转带动与之连接的两个中空的弧形容器6高速旋转，分别设在两个中空的弧形容器6内的小球7由于离心力的作用，小球7会沿弧形容器6的内部向上运动，如图4所示，当小球7到达一定高度H，此时弧形容器6的内壁对小球7的支持力F在竖直方向的分力抵消小球7重力G的作用，支持力F在水平方向的分力f能够为小球7做半径为r的匀速圆周运动提供向心力，小球7会停留在此高度H。
根据受力分析：
G=F*cosα；f=F*sinα；
从而有：f=G*tanα；
根据向心力的计算公式：f=m*r*ω2 其中m为小球7质量，r为做圆周运动的半径，ω为小球7做圆周运动的角速度。
推导出：G*tanα=m*r*ω2；
又由G=mg（g为重力加速度量）；
r=R*sinα；
带入上面公式推导出：cosα=g/(R*ω2)；
由图中知道：H=R*(1-cosα)；
所以H=R*(1-g/(R*ω2))；
公式总g和R都是定量，高度H与角速度ω有关，弧形容器6的旋转速度发生变化，小球7停留的高度也会相应的发生变化。本发明通过控制变频电机4的转速实现对两个中空的弧形容器6的变速旋转，从而带动分别设在两个中空的弧形容器6内的小球7在圆周运动的过程中受力而上升到不同的高度，通过控制系统不仅让学生通过演示直观了解圆周运动，还能让学生通过改变参数，公式推导对圆周运动中的向心力、力的分解等知识进行学习的探究圆周运动的演示互动装置。优选地，还可以在控制系统内预先设置各种参数，通过触摸屏选择难度，难度等级分为：初级和高级；在操作过程中如果观众选择初级难度：触摸屏出现“速度”选择界面，观众可以选择不同的旋转速度，并点击“启动”，让弧形容器6以不同的速度旋转，观察LED灯柱5内的LED灯珠的亮起高度，可以了解到在这一转速下，小球7停留在弧形容器6内壁上的高度。如果观众选择高级难度，控制系统会随机给弧形容器6一个速度，触摸屏上显示出这一转速ω，观众根据公式推导出在速度ω下小球7会停留在哪个高度H，并在选项中选择，然后点击“启动”，led灯柱5内代表此高度的LED灯珠会亮起；同时弧形容器6会旋转起来直到以速度ω做匀速转动，观察led灯珠逐渐亮起，验证观众的计算是否正确，如果led灯珠恰好到达观众选择的高度，则计算正确，此时系统会播放奖励音乐；如果led灯珠亮起的高度小于或大于观众选择的高度，则计算错误，此时系统会播放鼓励语音。综所上述，该装置既可以使观众直观了解圆周运动现象，也可以使观众通过改变速度参数，进行公式推导对向心力进行深刻学习。
以上所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是，凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种探究圆周运动的演示互动装置，包括箱体及设在所述箱体上的旋转组件，其特征在于：所述的旋转组件通过皮带与变频电机相连；在所述的旋转组件的中间设有LED灯柱，在所述LED灯柱内设有呈直线整列排列的LED灯珠，按照对称固定于所述LED灯柱两侧的是两个中空的弧形容器，两个中空的弧形容器固定后呈半圆形状，在两个中空的弧形容器内各设有一个小球；在所述箱体上还设有控制系统，所述的控制系统包括触摸屏和运动控制卡，所述的运动控制卡用于控制所述变频电机的转速及LED灯珠的开关，所述的触摸屏与所述的运动控制卡通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种探究圆周运动的演示互动装置，其特征在于：在所述的箱体顶端还设有防护罩。
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