CN108122457B - 圆运动研究装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于动力学研究装置领域，尤其是研究圆周运动所涉及到的动力学装置。一个细线拴着一个重物在竖直平面做圆周运动，出现了实验现象和理论不符的情况，为了解释该现象并且证明理论的正确，本发明提出一种装置：圆运动研究装置，包括竖直面板，底座，竖直面板由铁制成，还包括磁柱，细线的上端栓接于磁柱，细线的下端悬挂球形重物，其特征是：竖直面板固定连接一个用于使重物经过平衡位置后不受细线拉力并且约束重物运动的轨道，所述轨道设有圆弧形导轨，圆弧形导轨上端固定连接挡片，挡片固定连接弹性卡片。

Description

圆运动研究装置

本发明是申请号为2015100510583、发明创造名称为：圆运动研究装置、申请日为：2015-01-30的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明属于动力学研究装置领域，尤其是研究圆周运动所涉及到的动力学装置。

背景技术

一个细线拴着一个重物在竖直平面做圆周运动，重物在最低点时拉力大于重力，且最低点拉力最大-这都是容易被理论证明的，要想用实验表现这个现象，现有技术公开了一种研究圆周运动的装置：竖直面板，位于竖直面板下端用于支撑竖直面板的底座，竖直面板由铁板制成，还包括一个由永磁体制成的、形状为柱状的磁柱，磁柱一端吸附于竖直面板，磁柱另一端栓接一根细线，细线的上端栓接于磁柱，细线的下端悬挂一个重物。该装置的使用方法：第一步，将重物升起一定高度，且：1，使细线处于直线状态；2，细线偏离竖直位置。第二步，释放重物，重物开始做形状为圆弧的运动，即：圆周运动的一部分。选择合适的释放位置，可以达到这样的效果：在此位置释放重物，恰好可以把磁柱拉倒。理论分析如下：用T表示重物受到的拉力，用G表示重物受到的重力，用m表示重物的质量，用v表示重物经过最低点的速度，用r表示重物圆周运动的半径，推导得到：

于是，得到最低点速度v越大，拉力T越大的结论。用该实验辅助讲解：磁柱被拉倒，说明拉力T比重力大。实验操作者录制了该实验的视频，在逐帧播放视频时，发现：磁柱并没有在重物处于最低点倒下，而是明显经过了最低点以后，磁柱才倒。实验操作者重复实验多次，每次都录制视频并逐帧播放，均发现该现象。这个现象和理论不符。这个现象之前没有被人发现过：要慢速播放才可以观察到这个现象。从重物经过最低点到磁柱倒掉，大约历时0.2秒。0.2秒的时间，大约是该装置所悬挂重物单摆周期的8分之1，这0.2秒内，重物经过的路程大约是振幅的三分之二，细线和竖直方向的夹角大约是40度。所以，通常从时间上观察不出该现象，慢速播放的时候，可以从重物偏离平衡位置的距离上观察到该现象。

严格的来说，该实验和理论不符，该实验装置不宜用于圆周运动动力学的教学。换句话说：要研发一个新的装置，能演示最低点拉力大于重力的实验，并且克服上述缺陷。

既然要研发新的装置，就要知道现有装置的问题出在哪里。有两种说法：1，细线的形变需要时间，这个时间大约是0.2s，等细线完成了形变，磁柱才受到更大的拉力而被拉倒。2，磁柱在重物经过最低点就已经开始倾倒了，但是，磁柱的长度不够长，0.2秒以后，才明显看出来磁柱倒掉。这两种说法听上去都有道理，如果要用理论知识判定哪种说法正确，这是非常复杂的理论问题。

关于此现象，还有其他解释，那些解释可以通过理论分析直接排除，所以，在本说明书中就不表述了。

本发明提出一种装置，该装置可以：1，验证上述两种说法哪种正确。2，克服现有装置的不足之处，并且达到实验现象和理论相符的有益效果。

发明内容

本发明克服现有技术不足所采用的技术方案是：圆运动研究装置，包括竖直面板，位于竖直面板下端用于支撑竖直面板的底座，竖直面板由铁制成，还包括一个由永磁体制成的、形状为柱状的磁柱，磁柱一端吸附于竖直面板，磁柱另一端栓接一根细线，细线的上端栓接于磁柱，细线的下端悬挂一个用来做圆弧运动的球形重物，其特征是：竖直面板固定连接一个用于使重物经过平衡位置后不受细线拉力并且约束重物运动的轨道，所述轨道是这样的：轨道设有用于约束重物运动的圆弧形导轨，圆弧形导轨在竖直平面的剖面形状为圆弧形，圆弧形导轨所在各切面垂直于竖直面板，圆弧形导轨的曲率半径小于轨迹线的半径，圆弧形导轨最下端的切线是水平方向，圆弧形导轨最下端位置略低于轨迹线的最低点，圆弧形导轨上端距磁柱的距离小于轨迹线的半径，圆弧形导轨上端固定连接有一个垂直于导轨的、用于阻挡重物继续向上摆动的挡片，挡片固定连接有两片相对的、平行设置的、用于卡住重物的弹性卡片，弹性卡片和圆弧形导轨不接触，弹性卡片所在平面均为竖直平面，弹性卡片在其入口内部各有一个相对的、用于阻止重物滑下的凸起，两凸起的水平距离小于重物的直径。

沿着圆弧形导轨最下端到上端经过的弧长为细线长度的十分之一至三十分之一。

磁柱形状为圆柱体。

挡片还贴敷有用于缓冲重物的缓冲层。

缓冲层由海绵制成。

圆弧形导轨为薄片状。

本发明结构简单，用本发明做相关实验，可以让实验现象和理论分析完美相符。

附图说明

图1是现有技术的正视图。

图2是现有技术的侧视图。

图3是本发明实施例一的正视图。

图4是本发明实施例一的局部正视图。

图5是本发明实施例一的局部结构示意图。

图6是本发明实施例一的局部俯视图。

图7是本发明实施例二的局部俯视图。

图中：1-竖直面板，2-底座，3-磁柱，4-细线，5-重物，51-轨迹线，6-轨道，61-圆弧形导轨最下端，62-圆弧形导轨，63-圆弧形导轨上端，64-弹性卡片，641-凸起，65-挡片，66-缓冲层。

具体实施方式

附图1、2分别是现有技术的正视图和侧视图：现有技术包括竖直面板1，位于竖直面板1下端用于支撑竖直面板1的底座2，竖直面板1由铁制成，还包括一个由永磁体制成的、形状为柱状的磁柱3，磁柱3一端吸附于竖直面板1，磁柱3另一端栓接一根细线4，细线4的上端栓接于磁柱3，细线4的下端悬挂一个用来做圆弧运动的重物5。

实施例一参见附图3，是本发明的正视图，圆运动研究装置，包括竖直面板1，位于竖直面板1下端用于支撑竖直面板1的底座2，竖直面板1由铁制成，还包括一个由永磁体制成的、形状为柱状的磁柱3，磁柱3一端吸附于竖直面板1，磁柱3另一端栓接一根细线4，细线4的上端栓接于磁柱3，细线4的下端悬挂一个用来做圆弧运动的球形重物5，其特征是：竖直面板1固定连接一个用于使重物5经过平衡位置后不受细线4拉力并且约束重物5运动的轨道6。所述轨道6是这样的：(参见附图4，是该轨道6的正视图，附图5是该轨道6的结构示意图，附图6是该轨道6的俯视图。)轨道6设有用于约束重物5运动的圆弧形导轨62，圆弧形导轨62在竖直平面的剖面形状为圆弧形，圆弧形导轨62所在各切面垂直于竖直面板1，圆弧形导轨62的曲率半径小于轨迹线51的半径，圆弧形导轨最下端61的切线是水平方向，圆弧形导轨最下端61位置略低于轨迹线51的最低点，圆弧形导轨上端63距磁柱3的距离小于轨迹线51的半径，圆弧形导轨上端63固定连接有一个垂直于导轨的、用于阻挡重物5继续向上摆动的挡片65，挡片65所在平面垂直于竖直平面，挡片65固定连接有两片相对的、平行设置的、用于卡住重物5的弹性卡片64，弹性卡片64和圆弧形导轨62不接触，弹性卡片64所在平面均为竖直平面，弹性卡片64在其入口内部各有一个相对的、用于阻止重物5滑下的凸起641，两凸起641的水平距离小于重物5的直径。

解释：轨迹线51，轨迹线51是指重物5做圆弧形运动(也可以称为单摆运动，同时也是圆周运动的一段弧)时，重物5的最下端经过的轨迹。理所当然，轨迹线51是一段圆弧。

使用方法：把磁柱3吸附于竖直面板1，让重物5偏离平衡位置，并且确保细线4的形状为直线，并且确保细线4平行于竖直面板1，然后释放重物5，多次实验，找到这个位置：在该位置释放重物5时，重物5在圆弧运动时恰好可以拉倒磁柱3。标记该位置。为了表述的方便，该位置记为A位置。

用手捏着重物5，使重物5位于A位置，然后开始对此实验摄像。

释放重物5，细线4刚经过竖直方向后，重物5随即就进入了圆弧形导轨62，重物5一旦和圆弧形导轨62接触，细线4拉力就减小，重物5由于惯性继续沿着圆弧形导轨62运动，细线4拉力消失，从重物5经过平衡位置到重物5失去细线4的拉力，所经过的弧长很短，所经历的时间也很短。重物5到达圆弧形导轨上端63的时候，进入了弹性卡片64包围的区域，由于设置有挡片65，所以重物5不能冲出圆弧形导轨62，因为：弹性卡片64在其入口内部各有一个相对的、用于阻止重物5滑下的凸起641，两凸起641的水平距离小于重物5的直径，所以，重物5也不会再滑下来。

慢速播放上述视频，可以看到：细线4经过竖直方向，进入了圆弧形导轨62，细线4几乎同时开始弯曲----也就是说拉力消失。磁柱3仍然保持水平方向吸附在竖直面板1，经过大约0.2秒的时间，从视频明显观察到磁柱3倾倒。

由此说明：1，用现有技术来做该实验没有看到重物5在最低点时拉倒磁柱3，不是因为细线4的形变需要相应时间的原因，而是因为磁柱3的倾倒是一个由慢到快的过程，倾倒的初始阶段，即使慢镜头播放视频，也很难发现磁柱3明显倾倒。用本发明所述的装置，可以证明：重物5在最低点时，拉力的确有最大值，并且拉力大于重物5的重力。

实施例二基于实施例一，可以这样优化本发明：挡片65还贴敷有用于缓冲重物5的缓冲层66。缓冲层66可以由海绵制成。缓冲层66可以减小重物5的速度。参见图7。

对本发明的进一步解释：为了让重物5经过平衡位置后，尽早的让细线4拉力消失，可以这样限定：沿着圆弧形导轨最下端61到上端经过的弧长为细线4长度的十分之一至三十分之一。这样限定，就可以排除“因为细线4形变需要时间才导致磁柱3延迟倾倒”。

还可以这样优化：磁柱3形状可以为圆柱体。

圆弧形导轨62为薄片状。

圆弧形导轨62所在各切面垂直于竖直面板1，因为圆弧形导轨62是曲面，所以不能说曲面垂直于竖直面，而说曲面的各个切面垂直于竖直平面。

圆弧形导轨62的曲率半径小于轨迹线51的半径，这句话是说，让重物5运动半径减小，可以让细线4拉力为0，于是，可以确保磁柱3只在细线4摆动到竖直位置之前受到拉力，细线4摆动到竖直位置之后，重物5尽早进入了轨道6，重物5被圆弧形导轨62支撑，细线4的拉力消失。严格的说，细线4经过竖直位置后，在经过极短的时间、很短的弧长内，细线4对磁柱3还是有拉力的，但是，仍然可以达到本发明要解决的技术问题。举例来说：重物5自由摆动的时候，经过竖直位置以后，继续摆动40度角磁柱3发生倾倒，使用了本发明所述的装置，细线4经过竖直位置后，在继续摆动角度小于5度的时候，重物5就进入了轨道6，导致细线4弯曲、拉力消失，然而磁柱3还是倒掉了，这就说明，磁柱3的倒掉，不是因为细线4形变需要时间的原因，而是磁柱3倒掉是一个由慢到快的原因。

圆弧形导轨最下端61的切线是水平方向，圆弧形导轨最下端61位置略低于轨迹线51的最低点，“略”字，通常是不清楚的表述。但是，相关领域技术人员看了本说明书以后，可以理解这个略字，这个略是这个意思：弹力产生的条件有两个必要因素：1，接触，2，有形变。实际操作过程中，仅仅接触但是没有形变以至没有弹力是很难做到的，所以，圆弧形导轨最下端61位置略低于轨迹线51的最低点，就是说让重物5经过平衡位置后，尽早的进入圆弧形导轨62，然后，细线4受到圆弧形导轨62施加的弹力，继而让细线4不受到弹力，如果让重物5在恰好经过平衡位置的时候就和圆弧形导轨62产生了弹力，那么，细线4的弹力会因为有了圆弧形导轨62的支持力而发生变化。换句话说：重物5恰好经过平衡位置的时候，重物5和圆弧形导轨62不接触，重物5刚经过平衡位置，就尽早的接触到了圆弧形导轨62并受到圆弧形导轨62施加的弹力。这样解释，相关领域技术人员就可以明白略字的含义了。如果还觉的略字属于不清楚的表述，可以限定：圆弧形导轨最下端61位置比轨迹线51的最低点低0.1mm-2mm。

弹性卡片64和圆弧形导轨62不接触，这个技术特征是这样的意思：如果弹性卡片64和圆弧形导轨62接触，就造成：重物5在进入弹性卡片64和挡片65所包围的区域时，进入难度增大，一旦没有成功进入，就会滑下来，于是再次经过平衡位置，这样的运动过程非常复杂。同时，这样的运动过程也不是所要研究的运动过程，所以，弹性卡片64和圆弧形导轨62不接触，可以让重物5比较容易的进入弹性卡片64和挡片65所包围的区域。重物5进入弹性卡片64是排挤开两个弹性卡片64，弹性卡片64和圆弧形导轨62不接触，便于重物5排挤开这两个弹性卡片64。

弹性卡片64在其入口内部各有一个相对的、用于阻止重物5滑下的凸起641，两凸起641的水平距离小于重物5的直径。重物5由于惯性，冲入了弹性卡片64和挡片65所包围的区域，但是，再想滚下来时候，速度已经减小，无法再次冲破弹性卡片64，也就不会顺着圆弧形导轨62滑下来。所以，需要设置凸起641。

相关领域技术人员应当知晓：为了让重物5准确进入弹性卡片64，两个弹性卡片64应当分居在重物5运动轨迹的两侧，并且距重物5的长度相同，也就是说：弹性卡片64的中线属于细线4扫过的竖直平面。

细线4长度可以为1m。

本发明结构简单，利于探究动力学的一些问题，作为辅助性实验装置，可以做到实验现象和理论相符。

Claims (1)

1.圆运动研究装置，包括竖直面板，位于竖直面板下端用于支撑竖直面板的底座，竖直面板由铁制成，还包括一个由永磁体制成的、形状为柱状的磁柱，磁柱一端吸附于竖直面板，磁柱另一端栓接一根细线，细线的上端栓接于磁柱，细线的下端悬挂一个用来做圆弧运动的球形重物，其特征是：竖直面板固定连接一个用于使重物经过平衡位置后不受细线拉力并且约束重物运动的轨道，所述轨道是这样的：轨道设有用于约束重物运动的圆弧形导轨，圆弧形导轨在竖直平面的剖面形状为圆弧形，圆弧形导轨所在各切面垂直于竖直面板，圆弧形导轨的曲率半径小于轨迹线的半径，

圆弧形导轨最下端的切线是水平方向，圆弧形导轨最下端位置比轨迹线的最低点低0.1mm-2mm，圆弧形导轨上端距磁柱的距离小于轨迹线的半径，

圆弧形导轨上端固定连接有一个垂直于导轨的、用于阻挡重物继续向上摆动的挡片，挡片固定连接有两片相对的、平行设置的、用于卡住重物的弹性卡片，弹性卡片和圆弧形导轨不接触，弹性卡片所在平面均为竖直平面，弹性卡片在其入口内部各有一个相对的、用于阻止重物滑下的凸起，两凸起的水平距离小于重物的直径，

磁柱形状为圆柱体，

挡片还贴敷有用于缓冲重物的缓冲层，缓冲层由海绵制成，

细线长度为1m。