CN107610561A - 电动离心力定量分析演示仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动离心力定量分析演示仪，有一底板（9），底板上安装有调速直流电机（10），一旋转圆盘（6）的中心通过法兰盘（11）与直流电机的转轴相连，在旋转圆盘上沿中心对称安装两个离心力测量装置，本发明能直观形象又即时地测出产生离心力时的各项参数，学生极易接受。

Description

电动离心力定量分析演示仪

技术领域

本发明一般涉及一种物理实验装置，特别是定量演示和探究离心力大小所用的实验装置。

背景技术

在高中物理课中，关于匀速圆周运动部分，涉及很多知识点，如匀速圆周运动同时是变速运动，指的是其速度的大小不变方向时刻改变，其中比较难理解的匀速圆周运动向心加速度问题，直线运动的加速度很好理解，但圆周运动中的加速度就不是很直观，学生理解也有一些困难，这对于以后的线速度、角速度、向心力等概念的理解就会带来一定困难。另外在匀速圆周运动部分学生对离心力的理解也比较困难，因为离心力是一种虚拟力，是一种惯性力，它使旋转的物体远离它的旋转中心。在牛顿力学里，离心力曾被用于表述两个不同的概念：在一个非惯性参考系下观测到的一种惯性力，用来平衡向心力。在拉格朗日力学下，离心力有时被用来描述在某个广义坐标下的广义力。

离心力是一个惯性力，实际上是并不存在的。当物体作圆周运动时，就会受到向心力的作用，向心力既可以由某个力单独提供，也可以是多个力的合力,它迫使物体的运动方向发生变化，它的方向指向圆心。用牛顿运动规律来看，当物体作圆周运动时必然还受到一个惯性离心力的作用，该力与向心力大小相等，方向相反，从而使物体在转动参照系中处于平衡状态。在通常环境下离心力的作用只是为了在旋转参考系（非惯性参考系）下，牛顿运动定律依然能够使用。在惯性参考系下是没有离心力的，在非惯性参考系下（如旋转参考系）才需要有惯性力，否则牛顿运动定律不能使用。离心力的大小与作匀速圆周运动物体的质量，旋转速度，旋转半径都有关系，离心力大小的公式为F _离=mω² R。在生活中应用离心力的例子非常多，比如洗衣机，棉花糖制作机、洗衣机的甩干部分、大型游乐机等，修路时道路拐弯处的路面设计成外高里低等都是离心力的巧妙运用。当车辆转弯时需要很大的向心力，若向心力不足，车辆就会滑出原来的轨道而发生交通事故，所以在道路转弯处当外侧比内侧高时，可以让一部分地面支持力提供向心力，保证行车安全，并且车辆转弯时，也会减速，以降低惯性带来的离心力，减少车祸的发生。

在物理教学中使用电动离心力定量分析演示实验仪开展离心力教学，可以达到使学生直观了解什么是匀速圆周运动，物体作匀速圆周运动时离心力大小与哪些因素有关，帮助教师完成对离心力公式中各物理量进行定性演示的目的。通过该教具可以让学生通过实验定量分析验证离心力公式F _离=mω² R，达到使学生深刻理解离心力到底与那些因素有关的目的，可以帮助教师很好地完成定量验证离心力公式的演示任务。

公知的离心力定量分析演示仪存在的主要不足：

我们知道，F _离=mω² R中各量之间的关系，是在物体转动情况下存在的瞬时关系。困难的是，一旦物体转动起来(特别是转快了时)，我们就很难直接观察得到F的大小，显然，原有的一些离心力演示器都遇到了这个困难。中国实用新型专利，专利号为：CN204066528 U公开了一种离心力演示教具，该教具是利用电机带动一转盘转动，在转盘的边缘用弹簧悬挂一砝码，让砝码在竖直平面内匀速旋转，为了测量砝码做匀速圆周运动时离心力的大小，该教具是在转盘的后面安装一个带有刻度的同心圆盘来测量弹簧的伸长量进而测出离心力的大小。该教具存在几点不足，一是教具只能定性演示离心力大小与旋转速度、与砝码质量大小的关系，不能演示离心力大小与旋转半径大小的关系；二是砝码是在竖直平面内旋转，砝码的重力对测量结果的影响比较大；三是旋转速度的快慢无法测量。中国实用新型专利，专利号为：CN203773803 U公开了一种离心力演示教具，该教具是在一轴承底座上设置一竖直支杆，支杆的顶端设置有铰接孔，两转杆一端与支杆顶端的铰接孔铰接，另一端通过细线吊一金属小球，两转杆通过杆中间的铰孔与另外两根连接杆铰链，连接杆又通过铰接孔与支杆上的套筒连接，进行演示时使用者通过转动转杆使金属小球旋转，随着小球转动速度的增加在离心力的作用下支杆上的套筒将向上移动，这样就可观测到离心力的作用。此教具只能定性演示小球所受离心力作用的大小，不能进行定量分析，比较简单，使用也不方便，更达不到定量演示离心力公式的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有离心力定量分析演示仪不能很好演示和定量探究离心力，只能进行定性或半定量分析的缺点，提供一种电动离心力定量分析演示装置，能对离心力公式F _离=mω² R中的各个物理量进行较准确的测量，能将动态下的与离心力(F _离)有关的几个物理量(m、R、ω)进行较准确的观察和测量，进而去定量验证离心力的公式，从而完成定性演示离心力和定量探究离心力公式的教学任务。

为实现上述目的，本发明的方案为：一种电动离心力定量分析演示仪，有一底板，底板上安装有调速直流电机，一旋转圆盘的中心通过法兰盘与直流电机的转轴相连，在旋转圆盘上沿中心对称安装两个离心力测量装置，每一离心力测量装置由一个u型支撑架支撑，在支撑架一端的一个第一档板上固定一截圆筒，圆筒内装有一个金属小球，一个与圆筒内壁滑动配合的活塞板与小球接触，圆板的中心与一个十字形导杆固定，导杆伸出圆筒的部分导有一压缩弹簧，压缩弹簧的一端抵在一个第一推板上，推板的另一端抵在圆筒的口沿上，弹簧的另一端抵在支架的一个L型立板上，导杆的另一端穿过L型立板上的孔与一个第二推板连接，第一推板上安装有一LED灯座与一个竖直安装在底板边沿上的玻璃尺配合使用。

其它的方案包括，在法兰盘上还安装有一挡光杆，所述挡光杆也是法兰盘固定在电机轴上紧固螺丝，挡光杆与一光电门配合。

上述方案的原理为：当金属小球作匀速圆周运动时会受离心力作用，在离心力作用下小球推动推板使其在有机玻璃圆筒中向外移动从而压缩弹簧，通过测量弹簧的压缩量就可测出离心力的大小。为了能在圆盘转动的情况下测出弹簧的压缩量，装置在移动推板上安装了一个LED发光灯柱，当转盘旋转时发光灯柱也一起旋转，由于电机的转速较快，而人的视觉又有一个视觉停留时间，发光灯柱就会在有机玻璃做成的刻度尺上通过投影形成一条亮带，测量亮带的移动量就可测出弹簧的压缩量进而测出离心力的大小。改变小球质量的大小可测出对应离心力的大小；通过改变电机转速可测出小球所受离心力的改变；通过移动离心力测量装置离圆心的距离可测出旋转半径改变时对应离心力的改变。通过上述设计实现了本发明的目的。

下面结合图示及实施例对方案作更详细的说明。

附图说明

图1为离心力定量分析演示仪结构图；

图2为图1中离心力测量机构结构图。

图示中标号为：底板1，有机玻璃刻度尺2，刻度尺3，槽4，电池盒5，旋转圆盘6，光电计时计数测量仪7、8，直流电机10，法兰盘11，螺钉12、13，支撑架14，第二推板15，L型立板16，弹簧17，LED发光灯柱18，有机玻璃圆筒19，金属小球20，挡光杆21，光电门22，第一挡板23，活塞板24，导杆25，第一推板26。

具体实施方式

如图1所示，在底板9上安装有直流调速电机10，一旋转圆盘6的中心连接有一法兰盘11，法兰盘所带的孔与直流调速电机的轴配合，并有螺钉21紧固，在旋转圆盘6上对称安装两个离心力测量装置，如图2所示，每一离心力测量装置由一个u型支撑架14支撑，在支撑架一端的一个第一挡板23上固定一截圆筒19，圆筒内装有金属小球20，一个与圆筒内壁滑动配合的活塞板24与小球20接触，活塞板的中心与一根十字形导杆25固定，导杆伸出圆筒19的部分导有一压缩弹簧17，压缩弹簧的一端固定在一个第一推板26上，第一推板固定一LED灯座18，弹簧的另一端与u型支撑架14的一个L型立板16相接，导杆25的另一端穿过L型立板上的十字形孔与一个第二推板15连接，一般是螺纹连接。

安装在法兰盘11上的紧固螺钉21也是一根挡光杆，所述的挡光杆与安装在底板9下面的光电门22配合将电机旋转信号送给光电计时计数测量仪7进而测出金属小球的旋转速度。演示时金属小球在电机带动下匀速旋转，金属小球在离心力作用下会推动活塞板24向前移动，并靠近第一推板26，第一推板在小球20所产生离心力作用下会压缩弹簧17，通过测量弹簧的压缩量就可测出离心力的大小。为了能在圆盘转动情况下测出弹簧的压缩量，是由于在第一推板26上安装的LED发光灯座18安装的LED灯，当转盘旋转时发光灯柱也一起旋转，由于电机转速较快，而人的视觉又有一个视觉停留时间，当LED灯的光线达到有机玻璃刻度尺2上，通过投影的方式就会在刻度尺上形成一条水平亮带，旋转半径的改变量由刻度尺3测出，上述参数的获得都是在动态下测量出来的，既直观形象又即时，学生极易接受。

Claims (2)

1.一种电动离心力定量分析演示仪，其特征在于：有一底板（9），底板上安装有调速直流电机（10），一旋转圆盘（6）的中心通过法兰盘（11）与直流电机的转轴相连，在旋转圆盘上沿中心对称安装两个离心力测量装置，每一离心力测量装置由一个u型支撑架（14）支撑，在支撑架一端的一个第一档板上固定一截圆筒（19），圆筒内装有一个金属小球（20），一个与圆筒内壁滑动配合的活塞板（24）与小球接触，圆板的中心与一个十字形导杆（25）固定，导杆伸出圆筒的部分导有一压缩弹簧（17），压缩弹簧的一端抵在一个第一推板（26）上，推板的另一端抵在圆筒的口沿上，弹簧的另一端抵在支架的一个L型立板（16）上，导杆的另一端穿过L型立板上的十字形孔与一个第二推板（15）连接，第一推板上安装有一LED灯座（18）与一个竖直安装在底板边沿上的玻璃尺（2）配合使用。

2.根据权利要求1所述的电动离心力定量分析演示仪，其特征在于：在法兰盘上还安装有一挡光杆（21），所述挡光杆也是法兰盘固定在电机轴上紧固螺丝，挡光杆与一光电门（22）配合。