CN109599013A - 验证保守力做功与路径无关的实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种验证保守力做功与路径无关的实验装置，底板设置于两个支架之间的下部，底板两端分别与两支架的相对内侧固接；底板上表面上设置有至少两个内凹槽；两支架相对内侧的上部分别设置有相对应的限位块；横梁设置于两个支架之间的上部，横梁为可拆卸结构，它的两端搭设于限位块上；横梁上设置有至少两个通孔；通孔和内凹槽上下对应；通孔和内凹槽之间设置透明管道；透明管道包括直线管和曲线管；透明管道内部底面上设置有做功状态显示件，小球与做功状态显示件触接。这种实验装置结构简单，验证过程直观、精准，操作方便，能给阩提供直接的感性认识，成本低、效果好。
Description
技术领域
本发明涉及一种教学工具，特别是涉及一种教学中验证保守力做功与路径无关的实验装置。
背景技术
日常生活中，公知的三大保守力为重力、电场力和弹力。在现实的物理教学过程中，通常验证上述的公知保守力做功与路径无关时，只用相关的公式进行推导，没有具体的实验装置能够进行直观且全面的验证。
经检索，中国专利“重力做功与路径无关演示装置(ZL2010205345829)”公开了一种验证重力做功与路径无关的演示装置，该装置虽然具体给出了物体在不同路径中的重力做功相同，但是，也只是展示了重力这一种保守力，对于其他的两种公知保守力的重力做功情况无法进行验证，功能比较单一。另外，该装置中，用于显示重力做功的是填装在通道底部盒体内的缓冲料，物料凹陷的程度很难用肉眼精准的看出来，虽然能够看出重力做功的大体情况，但是不能掌握其准确的做功情况，精准性较低，不能准确判断出不同路径与重力做功之间的精准关系。
发明内容
本发明是针对背景技术中提及的技术缺陷，提供一种能够精准、直观的验证出公知保守力做功与路径无关的装置。
为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种验证保守力做功与路径无关的实验装置，包括小球、支架、用于表示路径且竖直高度相同的透明管道，还包括底板、横梁、做功状态显示件；
所述底板设置于两个支架之间的下部，底板两端分别与两支架的相对内侧固接；底板上表面上设置有至少两个内凹槽；
两支架相对内侧的上部分别设置有相对应的限位块；
所述横梁设置于两个支架之间的上部，横梁为可拆卸结构，它的两端搭设于所述限位块上；横梁上设置有至少两个通孔；
所述通孔和所述内凹槽上下对应；通孔和内凹槽之间设置透明管道；所述透明管道包括直线管和曲线管；
所述透明管道内部底面上设置有做功状态显示件，小球与做功状态显示件触接。
作为优选方案：所述做功状态显示件为弹簧，弹簧与所述透明通道内壁间有间隙。
作为优选方案：所述透明管道为两端开口的中空管，其上端插装于所述横梁上的通孔内，其下端插装于所述底板上的内凹槽内；所述弹簧安装于所述透明管道的下部，弹簧下端与底板的内凹槽底面固接。
作为优选方案：所述曲线管，其上部和下部均为直管，其中部为曲面过渡的斜管。
作为优选方案：两个支架的侧面上分别设置有刻度尺。
作为优选方案：支架内侧的上部，由上至下依次设置有多个限位块；两个支架上的限位块相互对应。
作为优选方案：所述的弹簧的长度根据所验证的保守力而定；验证重力和电场力时，弹簧的自然长度为透明通道的三分之一。
作为优选方案：验证电场力时，所述实验装置还包括电源，电源通过导线分别与金属材质的横梁和底板连接。
作为优选方案：验证弹性力时，弹簧为轻质弹簧，轻质弹簧的自然长度与透明通道的竖直长度相同。
作为优选方案：验证弹性力时，小球是带电量均为q但质量忽略不计的轻质小球。
与现有技术相比，本发明所公开的这种实验装置能够精准、全面的验证出公知保守力做功与路径无关的物理常识，结构简单，验证过程直观、精准，操作方便，能给阶提供直接的感性认识，成本低、效果好。
附图说明
图1为本发明中实施例一的实验装置结构示意图。
图2为本发明中实施例二的实验装置结构示意图。
图3为本发明中实施例三的实验装置结构示意图。
图中：支架1，底板2，小球3，弹簧4，直线管5，曲线管6，横梁7，限位块8，电源9。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明所公开的是一种能够验证保守力做功与路径无关的实验装置。这种实验装置主要是用来验证公知保守力重力、弹力和电场力做功与路径之间的关系。
这种实验装置，包括小球、支架、用于表示路径且竖直高度相同的透明管道，还包括底板、横梁、做功状态显示件。
两支架1纵向相对直立设置，底板2设置于两个支架之间的下部，底板两端分别与两支架的相对内侧固接。底板为金属材质的矩形板条，底板上表面上设置有至少两个内凹槽。两支架相对内侧的上部分别设置有相对应的限位块8，限位块为与支架内侧焊接固定的矩形块体，起到支承作用。横梁7为金属材质的矩形板条，设置于两个支架之间的上部，横梁为可拆卸的活动结构，它的两端搭设于相对的一组限位块上。横梁上设置有至少两个通孔。支架内侧的上部，由上至下依次设置有多个限位块；两个支架上的限位块相互对应，构成多个限位块组。
横梁上的通孔和底板上的内凹槽上下对应，且他们二者的内径与透明通道的外径相匹配。通孔和内凹槽之间设置透明管道；透明管道包括直线管5和曲线管6。根据实际需求，透明管道的数量可为多个，曲线管为各种圆滑过渡的中空曲面管体，透明管道内部底面上设置有做功状态显示件，小球与做功状态显示件触接。作为优选，做功状态显示件为弹簧4，弹簧与透明通道内壁间有间隙，即弹簧与透明通道内壁不接触。
透明管道为两端开口的中空管，其上端插装于横梁上的通孔内，其下端插装于所述底板上的内凹槽内。弹簧安装于透明管道内部的下部，弹簧下端与底板的内凹槽底面固接。
曲线管分为三部分，其上部和下部均为直管，且各个曲线管的下上下部直管的竖直高度相同，其中部为曲面过渡的斜管。本申请中，曲线管为两种，一种是中部向左倾斜的管体，另一种是中部向右倾斜的管体。
作为优选方案，两个支架的侧面上分别设置有刻度尺，用来精准标记做功状态。
常见的、也是公知的保守力包括重力、弹力和电场力。透明通道下部的弹簧的长度根据所验证的保守力的种类而定。
实施例一
参见附图1，验证重力做功与路径无关时，弹簧的自然长度为透明通道的三分之一。
质量均为m的小球，分别从光滑的透明通道的顶端无初速释放，由于透明通道光滑，且三根玻璃管的竖直高度h1为100cm，而三根玻璃管的底端竖直部分高度h2为30cm，这两个高度均由透明通道侧面的支架上的标尺指示，由于下落小球与透明通道间无摩擦，所以小球自由下落的高度为70cm，即h1-h2，而三个自由下落的小球从与弹簧接触那一时刻起便做加速度减小的加速运动，速度达到最大值Vm时，每个小球的重力mg与弹簧弹力F1＝kx1(x1为小球速度最大时，弹簧的压缩量)相等，此后每个小球从最大速度Vm开始做加速度增大的减速运动直至减速为0，此时弹簧达到最大压缩量x2，此时弹簧弹力F2＝kx2，此时弹力大于小球重力mg。实验结果显示三个透明通道中的三根弹簧A、B、C的压缩量相同，且三个质量相等的小球在弹力做功过程中所走过的路径相同，即弹簧弹力做功一定相等，整个实验过程的功能关系，整个实验过程只有重力和弹簧弹力做功，所以证明重力做的正功应该与弹簧弹力做的负功相等，三个质量相等的小球沿不同路径下落，由实验数据结果：三个小球的弹簧弹力做功均为三个质量均为m的小球沿不同路径下落弹力做功相等，即整个实验过程小球重力做功相等。数据结果显示弹力做功与重力做功WG＝mg(h1-h2+x2)相等，即重力做功与路径无关，只与竖直高度h1-h2+x2有关。
实施例二
参见附图2，验证电场力做功与路径无关，这组实验装置还包括电源，在透明通道的两端通电施加匀强电场，电源通过导线分别与金属材质的横梁和底板连接，并接通电源9，电源电压U＝10v，动力电源为电池，则透明通道两端的电场强度为100v/m，三个质量忽略的轻质小球的带电量均为q，在电场力作用下三个小球在三个透明通道内做加速运动的竖直高度为仍然为h1-h2＝70cm，三个小球与弹簧接触后做加速度减小的加速运动，电场强度E＝U/d(d为两横梁与底板之间的竖直距离，此距离由支架标尺指示)，当Eq＝kx1时(x1为小球平衡时弹簧的压缩量)，带电小球速度达最大值vm，此后弹簧弹力逐渐增大，小球做加速度增大的减速运动，直至减速为0，此时弹簧弹力kx2(x2为弹簧的最大压缩量)，整个实验过程只有电场力和弹簧弹力做功，且小球动能变化量为0，所以弹力做功与电场力做功相等，弹力做功阶段，三个小球经过相同的直线路径，弹簧弹力对三个小球做功均为三个带电量均为q的小球沿不同路径下落弹力做功相等，即整个实验过程电场力对三个小球做功相等。实验数据结果显示弹力做功与电场力做功WF＝U/d(h1-h2+x2)相等，即电场力做功与路径无关，只与竖直高度h1-h2+x2有关。
此实验也可做进一步验证：向下移动横梁的位置，具体数值可由支架的标尺读出，仍然可根据实验数据计算实验过程中弹簧弹力做功的具体数值，从而验证得出电场力做功与路径无关。
实施例三
参见附图3，验证弹力做功与路径无关时，弹簧为轻质弹簧，轻质弹簧的自然长度与透明通道的竖直长度相同。
将三根透明通道内的弹簧换成长度为100cm的轻质弹簧，且弹簧与三根透明的直线管和曲线管路径相匹配，且弹簧不与玻璃管的侧壁接触。将质量为m的小球无初速释放，三个球将压缩三根弹簧，从接触弹簧小球将会做加速度减小的的加速运动，直至最大速度vm，此时每个小球的重力mg与弹簧弹力F＝kx1相等(x1为小球平衡时弹簧的压缩量)，此后弹簧将继续被压缩，弹簧弹力继续增大，三个小球将做加速度增大的减速运动，直至减速为0，此时弹簧达最大压缩量为x2，整个实验过程每个小球的动能变化量为0，根据动能定理合外力做功相等，即整个实验过程重力做功与弹力做功相等，重力做功阶段，三个小球走过的路径不同，以上已经证明重力做功与路径无关，所以三个质量相等的小球，重力对三个小球做功相等为WG＝mgh1，所以沿不同路径下落的小球，弹力对质量相等的小球做功相等，数据结果显示弹力做功与重力做功WG＝mgh1相等，因为三个小球走过不同的路径，所以弹力做功与路径无关。
Claims (10)
1.一种验证保守力做功与路径无关的实验装置，包括小球、支架、用于表示路径且竖直高度相同的透明管道，其特征在于，还包括底板、横梁、做功状态显示件；
所述底板设置于两个支架之间的下部，底板两端分别与两支架的相对内侧固接；底板上表面上设置有至少两个内凹槽；
两支架相对内侧的上部分别设置有相对应的限位块；
所述横梁设置于两个支架之间的上部，横梁为可拆卸结构，它的两端搭设于所述限位块上；横梁上设置有至少两个通孔；
所述通孔和所述内凹槽上下对应；通孔和内凹槽之间设置透明管道；所述透明管道包括直线管和曲线管；
所述透明管道内部底面上设置有做功状态显示件，小球与做功状态显示件触接。
2.根据权利要求1所述的验证保守力做功与路径无关的实验装置，其特征在于：所述做功状态显示件为弹簧，弹簧与所述透明通道内壁间有间隙。
3.根据权利要求2所述的验证保守力做功与路径无关的实验装置，其特征在于：所述透明管道为两端开口的中空管，其上端插装于所述横梁上的通孔内，其下端插装于所述底板上的内凹槽内；所述弹簧安装于所述透明管道的下部，弹簧下端与底板的内凹槽底面固接。
4.根据权利要求3所述的验证保守力做功与路径无关的实验装置，其特征在于：所述曲线管，其上部和下部均为直管，其中部为曲面过渡的斜管。
5.根据权利要求1所述的验证保守力做功与路径无关的实验装置，其特征在于：两个支架的侧面上分别设置有刻度尺。
6.根据权利要求1所述的验证保守力做功与路径无关的实验装置，其特征在于：支架内侧的上部，由上至下依次设置有多个限位块；两个支架上的限位块相互对应。
7.根据权利要求2所述的验证保守力做功与路径无关的实验装置，其特征在于：所述的弹簧的长度根据所验证的保守力而定；验证重力和电场力时，弹簧的自然长度为透明通道的三分之一。
8.根据权利要求7所述的验证保守力做功与路径无关的实验装置，其特征在于：验证电场力时，所述实验装置还包括电源，电源通过导线分别与金属材质的横梁和底板连接。
9.根据权利要求8所述的验证保守力做功与路径无关的实验装置，其特征在于：验证电场力时，小球是带电量均为q但质量忽略不计的轻质小球。
10.根据权利要求7所述的验证保守力做功与路径无关的实验装置，其特征在于：验证弹性力时，弹簧为轻质弹簧，轻质弹簧的自然长度与透明通道的竖直长度相同。
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| GR01 | Patent grant | ||
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