CN108230839B - 一种用于研究动力学的装置 - 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：一种用于研究动力学的装置，包括竖直面板、磁柱、细线、重物，其特征是：竖直面板固定连接夹持装置，所述夹持装置是这样的：夹持装置设有圆弧形导轨，圆弧形导轨固定连接有侧板，侧板的内面均贴敷有夹块，夹块在距导轨相同距离处其水平方向的厚度是这样变化的：圆弧形导轨的下端夹块较薄，圆弧形导轨的上端夹块较厚。夹块的厚度是这样变化的：距离圆弧形导轨较近处，夹块较薄，距离圆弧形导轨较远处，夹块较厚。

Description

一种用于研究动力学的装置

本申请是申请号为2015100510600、发明创造名称为“一种用于研究动力学的装置”、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：一种用于研究动力学的装置，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夹持装置，所述夹持装置是这样的：夹持装置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，圆弧形导轨的两个侧面均固定连接有侧板，侧板所在平面为竖直平面，两个侧板的内面均贴敷有由弹性材料制成的、用于夹持重物的夹块，夹块在距导轨相同距离处其水平方向的厚度是这样变化的：圆弧形导轨的下端夹块较薄，圆弧形导轨的上端夹块较厚。

垂直于圆弧形导轨切面且同时垂直于竖直面板的方向，夹块的厚度是这样变化的：距离圆弧形导轨较近处，夹块较薄，距离圆弧形导轨较远处，夹块较厚。

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。

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俯视图。

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剖面图。

图7是本发明实施例二的局部剖面图。

图中：1-竖直面板，2-底座，3-磁柱，4-细线，5-重物，51-轨迹线，7-夹持装置，71-圆弧形导轨最下端，72-圆弧形导轨，73-侧板，74-夹块。

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，一种用于研究动力学的装置，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运动的夹持装置7，所述夹持装置7是这样的(附图4是夹持装置7的俯视图，并且表示重物5在平衡位置时和夹持装置7的位置关系-----仅表明竖直方向的位置关系，附图5是夹持装置7的结构示意图。)：夹持装置7设有用于约束重物5运动的圆弧形导轨72，圆弧形导轨72在竖直平面的剖面形状为圆弧形，圆弧形导轨72所在各切面垂直于竖直面板1，圆弧形导轨72的曲率半径小于轨迹线51的半径，圆弧形导轨最下端71的切线是水平方向，圆弧形导轨最下端71位置略低于轨迹线51的最低点，圆弧形导轨72上端距磁柱3的距离小于轨迹线51的半径，圆弧形导轨72的两个侧面均固定连接有侧板73，侧板73所在平面为竖直平面，两个侧板73的内面均贴敷有由弹性材料制成的、用于夹持重物5的夹块74，夹块74在距导轨相同距离处其水平方向的厚度是这样变化的：圆弧形导轨72的下端夹块74较薄，圆弧形导轨72的上端夹块74较厚。

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。

夹块74可以由海绵制成。

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72，重物5一旦和圆弧形导轨72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72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进入了夹块74，受到夹块74所施加的弹力和摩擦力，最终被夹在夹块74内，因为重物5进入夹块74前有初速度，又因为夹块74发生了明显的形变，所以，重物5速度减为零后也不会再滑下来。

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72，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。

实施例二参见附图6，附图6是夹持装置7的结构示意图，并且画出了夹块74的剖面图，因为重物5为球形，为了更好的夹持重物5，确保重物5不滑下去，参见附图7所示的实施例二：垂直于圆弧形导轨72切面且同时垂直于竖直面板1的方向，夹块74的厚度是这样变化的：距离圆弧形导轨72较近处，夹块74较薄，距离圆弧形导轨72较远处，夹块74较厚。这样可以施加更大的压力，最大静摩擦力也会增大。

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71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72可以为薄片状。

圆弧形导轨72所在各切面垂直于竖直面板1，因为圆弧形导轨72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72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，重物5被圆弧形导轨72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，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71的切线是水平方向，圆弧形导轨最下端71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71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72，然后，细线4受到圆弧形导轨72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72产生了弹力，那么，细线4的弹力会因为有了圆弧形导轨72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72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72并受到圆弧形导轨72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71位置比轨迹线51的最低点低0.1mm-2mm。

相关领域技术人员应当知晓，为了让演示效果更好，夹块74在位于圆弧形导轨72下端处间距较大，夹块74在位于圆弧形导轨72上端处间距较小，且间距逐渐变化，且夹块74在位于圆弧形导轨72上端处，夹块74间距小于球形重物5的直径，重物5在经过最低点时，不和夹块74接触，这是相关领域技术人员应当知晓的，因为，最需要关注的状态就是重物5经过最低点的状态，所以，不能在重物5下摆至最低点的过程中给重物5施加额外的影响。

细线长度可以为1m，可以为0.9m，可以为1.1m。

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)

1.一种用于研究动力学的装置，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夹持装置，所述夹持装置是这样的：夹持装置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，

圆弧形导轨的两个侧面均固定连接有侧板，侧板所在平面为竖直平面，两个侧板的内面均贴敷有由弹性材料制成的、用于夹持重物的夹块，夹块在距导轨相同距离处其水平方向的厚度是这样变化的：圆弧形导轨的下端夹块与圆弧形导轨的上端夹块相比较，圆弧形导轨的下端夹块薄，圆弧形导轨的上端夹块厚，

且：夹块由海绵制成，磁柱形状为圆柱体，细线长度为0.9m。