CN111292593A - 一种物理实验向心力演示装置 - Google Patents

Abstract

一种物理实验向心力演示装置，包括第一壳体，第一壳体为圆柱形，第一壳体内圆柱面水平方向固定连接圆板，圆板上开有n个均与圆板同心的圆环槽，圆环槽之间等距，圆环槽内底面均固定连接数个活动杆朝上的电动伸缩杆，圆环槽内均设有水平的第一圆环板，同一圆环槽内的所有电动伸缩杆的活动杆上端固定连接对应的第一圆环板下表面，圆板中心开通孔，第一壳体内设有竖直的第一转轴，第一转轴穿过通孔，第一转轴与圆板、第一壳体之间均通过滚动轴承连接。本发明结构简单，操作方便，实验变量容易控制。

Description

一种物理实验向心力演示装置

技术领域

本发明属于物理实验教学教具领域，具体地说是一种物理实验向心力演示装置。

背景技术

在高中物理知识中“向心力”是非常重要的知识点，在教学实践中，该公式的理论推导过程对学生来说过于抽象、不易理解，而开展的实验研究基本是用圆锥摆或类似的装置进行向心力粗略验证，缺乏科学性、准确性和可比性，实际效果不理想；而历年来教材中所采用的“向心力实验演示仪”也仅仅半定量的，授权公告号为CN 106601092 B的发明专利公开了：一种向心力演示仪，其中参与向心力实验的钢球8的数量在实验时只能单向增加，取出钢球8也十分不便，由此难以根据实验需求任意改变向心力实验中的质量数值，难以得出有效的实验结果，而且人为提供实验动力，测量结果有较大的误差。

发明内容

本发明提供一种物理实验向心力演示装置，用以解决现有技术中的缺陷。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种物理实验向心力演示装置，包括第一壳体，第一壳体为圆柱形，第一壳体内圆柱面水平方向固定连接圆板，圆板上开有n个均与圆板同心的圆环槽，圆环槽之间等距，圆环槽内底面均固定连接数个活动杆朝上的电动伸缩杆，圆环槽内均设有水平的第一圆环板，同一圆环槽内的所有电动伸缩杆的活动杆上端固定连接对应的第一圆环板下表面，圆板中心开通孔，第一壳体内设有竖直的第一转轴，第一转轴穿过通孔，第一转轴与圆板、第一壳体之间均通过滚动轴承连接，第一转轴下部安装有动力装置，圆板上方设有水平的滑杆，滑杆内端与第一转轴固定连接，第一转轴上固定连接矩形框，滑杆位于矩形框内，滑杆上配合安装n个单个质量为m、单个外圆柱面长度为a的测量圆环，测量圆环和滑杆均不与矩形框接触，测量圆环的外圆柱面上均开楔形环槽，楔形环槽过测量圆环轴线的截面为直角三角形，楔形环槽的垂直面靠近相应的测量圆环外端面，楔形环槽的斜面靠近相应测量圆环的内端面且与楔形环槽垂直面相交，楔形环槽与滑杆同轴，矩形框内部远离第一转轴的端面固定连接压力传感器，最外端测量圆环外端面至压力传感器测压面的距离为d₁，最内端测量圆环内端面至矩形框靠近第一转轴的内端面的距离为d₂，d₁与d₂之和小于一个楔形环槽的最大水平宽度，压力传感器测压面至第一转轴轴线的距离为L，矩形框下部对应第一圆环板上表面开有通孔，通孔内均设有顶出装置，顶出装置与楔形环槽一一对应并能与楔形环槽配合使测量圆环向第一转轴的方向运动，第一壳体外圆柱面上固定连接显示器、第一控制器、第二控制器，显示器与压力传感器相连，第一控制器与数个电动伸缩杆相连，第二控制器与动力装置相连。

如上所述的一种物理实验向心力演示装置，所述的顶出装置包括第二圆环板，第二圆环板水平放置，第二圆环板外圆柱面与通孔内壁固定连接，第二圆环板内圆柱面滑动配合有顶杆，顶杆上端对应楔形环槽为楔形，顶杆侧面与第二圆环板上表面通过弹簧连接，顶杆下端安装有滚轮，滚轮外缘与第二圆环板接触。

如上所述的一种物理实验向心力演示装置，所述的第一圆环板上表面对应顶出装置的滚轮外缘开有浅圆环槽，浅圆环槽与第一圆环板同轴。

如上所述的一种物理实验向心力演示装置，所述的动力装置包括变速电机，变速电机的角速度为ω₁，变速电机输出端朝上，变速电机输出端固定安装有第一齿轮，第一转轴上固定安装有第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合配合。

如上所述的一种物理实验向心力演示装置，所述的第一控制器可分别控制每一个电动伸缩杆。

如上所述的一种物理实验向心力演示装置，所述的第一外壳为透明材质。

本发明的优点是：本发明结构简单，操作方便，实验变量容易控制。实验开始前，已知测量圆环的单个外圆柱面长度a、单个测量圆环的质量m、第一转轴的轴线到压力传感器测量面的距离L、第一转轴的角速度ω，当开始实验时，通过第二控制器启动动力装置，动力装置带动第一转轴旋转，固定连接在第一转轴上的滑杆和矩形框开始旋转，由于向心力的作用，滑杆上的n个测量圆环向滑杆远离第一转轴的方向运动，数个测量圆环紧贴在一起并且一同挤压矩形框内的压力传感器，压力传感器由于矩形框的阻挡无法移动而得出压力数值并将该压力数值传输到显示器上供实验人员记录，得出的数据十分直观，方便多次数据记录，如果实验人员需要改变向心力实验当中的角速度ω，通过第二控制器控制动力装置中的变速电机变速即可，十分方便，如果需要改变向心力实验当中参与实验的测量圆环的总质量n·m，通过第一控制器控制同一圆环槽内的电动伸缩杆的活动杆向上推动对应的第一圆环板，第一圆环板向上运动推动对应的顶出装置，由于d₁与d₂之和小于一个楔形环槽的最大水平宽度，顶出装置中的顶杆上的楔形能正确进入对应的楔形环槽，顶出装置与对应的测量圆环上的楔形环槽滑动配合带动该测量圆环向第一转轴的方向运动而远离压力传感器，此时该测量圆环和该测量圆环与第一转轴之间的总共b个测量圆环均不对压力传感器造成压力，而其他(n-b)个测量圆环则对压力传感器进行挤压，由此改变参与实验计算的测量圆环数量，而每个测量圆环的质量m都是事先已知的，因此最终达到改变向心力实验当中质量改变的目的，由于每个测量圆环的圆柱面长度a都是事先已知的，由此得出实验中计算所需的半径数值，操作十分简单方便，通过参与实验的测量圆环总质量(n-b)m、参与实验的第一转轴的角速度ω、参与实验的实际半径

通过带入向心力计算公式得出

计算出实验当中的向心力F大小，实验数据收集完毕后通过第一控制器、第二控制器停止本发明的运行，关闭显示器，实验结束。本发明由于电动伸缩杆、第一圆环板、顶出装置的系列联动使得参与实验的测量圆环数量可根据实验需要任意改变，实验中的质量计算数值可方便的增加或者减少，由于动力装置中的变速电机使得实验所需的速度ω可控，操作十分方便，而单个测量圆环的质量m、单个测量圆环外圆柱面长度a、第一转轴的轴线到压力传感器测量面的距离L、第一转轴的角速度ω事先已知，最终使得向心力F大小可控，实验人员得出多组实验数据十分方便，由于浅圆环槽使得本发明运行稳定，也利于实验人员多次实验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；图2为图1中I处局部放大图；图3为图1中II处局部放大图；图4为图1中III处局部放大图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种物理实验向心力演示装置，如图所示，包括第一壳体1，第一壳体1为圆柱形，第一壳体1内圆柱面水平方向固定连接圆板2，圆板2上开有n个均与圆板2同心的圆环槽3，圆环槽3之间等距，圆环槽3内底面均固定连接数个活动杆朝上的电动伸缩杆4，圆环槽3内均设有水平的第一圆环板5，同一圆环槽3内的所有电动伸缩杆4的活动杆上端固定连接对应的第一圆环板5下表面，圆板2中心开通孔6，第一壳体1内设有竖直的第一转轴7，第一转轴7穿过通孔6，第一转轴7与圆板2、第一壳体1之间均通过滚动轴承连接，第一转轴7下部安装有动力装置98，圆板2上方设有水平的滑杆11，滑杆11内端与第一转轴7固定连接，第一转轴7上固定连接矩形框12，滑杆11位于矩形框12内，滑杆11上配合安装n个单个质量为m、单个外圆柱面长度为a的测量圆环99，测量圆环99和滑杆11均不与矩形框12接触，测量圆环99的外圆柱面上均开楔形环槽13，楔形环槽13过测量圆环99轴线的截面为直角三角形，楔形环槽13的垂直面靠近相应的测量圆环99外端面，楔形环槽13的斜面靠近相应测量圆环99的内端面且与楔形环槽13垂直面相交，楔形环槽13与滑杆11同轴，矩形框12内部远离第一转轴7的端面固定连接压力传感器14，最外端测量圆环99外端面至压力传感器14测压面的距离为d₁，最内端测量圆环99内端面至矩形框12靠近第一转轴7的内端面的距离为d₂，d₁与d₂之和小于一个楔形环槽13的最大水平宽度，压力传感器14测压面至第一转轴7轴线的距离为L，矩形框12下部对应第一圆环板5上表面开有通孔15，通孔15内均设有顶出装置16，顶出装置16与楔形环槽13一一对应并能与楔形环槽13配合使测量圆环99向第一转轴7的方向运动，第一壳体1外圆柱面上固定连接显示器17、第一控制器18、第二控制器19，显示器17与压力传感器14相连，第一控制器18与数个电动伸缩杆4相连，第二控制器19与动力装置98相连。本发明结构简单，操作方便，实验变量容易控制。实验开始前，已知测量圆环99的单个外圆柱面长度a、单个测量圆环99的质量m、第一转轴7的轴线到压力传感器14测量面的距离L、第一转轴7的角速度ω，当开始实验时，通过第二控制器19启动动力装置98，动力装置98带动第一转轴7旋转，固定连接在第一转轴7上的滑杆11和矩形框12开始旋转，由于向心力的作用，滑杆11上的n个测量圆环99向滑杆11远离第一转轴7的方向运动，数个测量圆环99紧贴在一起并且一同挤压矩形框12内的压力传感器14，压力传感器14由于矩形框12的阻挡无法移动而得出压力数值并将该压力数值传输到显示器17上供实验人员记录，得出的数据十分直观，方便多次数据记录，如果实验人员需要改变向心力实验当中的角速度ω，通过第二控制器19控制动力装置98中的变速电机8变速即可，十分方便，如果需要改变向心力实验当中参与实验的测量圆环99的总质量n·m，通过第一控制器18控制同一圆环槽3内的电动伸缩杆4的活动杆向上推动对应的第一圆环板5，第一圆环板5向上运动推动对应的顶出装置16，由于d₁与d₂之和小于一个楔形环槽13的最大水平宽度，顶出装置16中的顶杆21上的楔形能正确进入对应的楔形环槽13，顶出装置16与对应的测量圆环99上的楔形环槽13滑动配合带动该测量圆环99向第一转轴7的方向运动而远离压力传感器14，此时该测量圆环99和该测量圆环99与第一转轴7之间的总共b个测量圆环99均不对压力传感器14造成压力，而其他(n-b)个测量圆环99则对压力传感器14进行挤压，由此改变参与实验计算的测量圆环99数量，而每个测量圆环99的质量m都是事先已知的，因此最终达到改变向心力实验当中质量改变的目的，由于每个测量圆环99的圆柱面长度a都是事先已知的，由此得出实验中计算所需的半径数值，操作十分简单方便，通过参与实验的测量圆环总质量(n-b)m、参与实验的第一转轴7的角速度ω、参与实验的实际半径

通过带入向心力计算公式得出

计算出实验当中的向心力F大小，实验数据收集完毕后通过第一控制器、第二控制器停止本发明的运行，关闭显示器，实验结束。本发明由于电动伸缩杆4、第一圆环板5、顶出装置16的系列联动使得参与实验的测量圆环99数量可根据实验需要任意改变，实验中的质量计算数值可方便的增加或者减少，由于动力装置98中的变速电机8使得实验所需的速度ω可控，操作十分方便，而单个测量圆环99的质量m、单个测量圆环外圆柱面长度a、第一转轴7的轴线到压力传感器14测量面的距离L、第一转轴7的角速度ω事先已知，最终使得向心力F大小可控，实验人员得出多组实验数据十分方便，由于浅圆环槽23使得本发明运行稳定，也利于实验人员多次实验。

具体而言，如图所示，本实施例所述的顶出装置16包括第二圆环板20，第二圆环板20水平放置，第二圆环板20外圆柱面与通孔15内壁固定连接，第二圆环板20内圆柱面滑动配合有顶杆21，顶杆21上端对应楔形环槽13为楔形，顶杆21侧面与第二圆环板20上表面通过弹簧22连接，顶杆21下端安装有滚轮，滚轮外缘与第二圆环板接触。通过弹簧22将顶杆21往下拉，运用弹簧22的拉力和和顶杆21的重力作用使滚轮一直保持与第二圆板20接触，避免测量向心力时由于向心力的作用使得顶杆21侧面紧贴第二圆环板20内圆柱面而使得顶杆21无法运动，保证了本发明的运行稳定性，通过第二圆环板20内圆柱面与顶杆21配合，限制顶杆21的横向位移，提高顶杆21的运动精准性，为了保证本发明的正常运行，当顶杆21上的楔形的尖部与楔形环槽的斜面中部重合时，d₁与d₂相等，当某个顶出装置16向上运动时，顶杆21上端的楔形结构与楔形环槽13的斜面接触配合，由于力的作用使得对应该顶出装置的测量圆环99与右方的测量圆环99分离，减少参与实验的测量圆环99数量，简单实现控制向心力实验中质量计算数值的减少，当顶出装置17向下运动时，顶杆21上端的楔形结构与楔形环槽13的斜面分开，由于离心力的作用使得对应该顶出装置的测量圆环99与右方的测量圆环99重新贴合，简单实现控制向心力实验中质量计算数值的增加，通过该顶出装置17，可十分方便的增加或者减少实验中的质量计算数值。

具体的，如图所示，本实施例所述的第一圆环板5上表面对应顶出装置16的滚轮外缘开有浅圆环槽23，浅圆环槽23与第一圆环板5同轴。当滚轮23在浅圆环槽23内运动时，由于浅圆环槽23的导向作用，增加了顶出装置16的运行稳定性。

进一步的，如图所示，本实施例所述的动力装置98包括变速电机8，变速电机8的角速度为ω₁，变速电机8输出端朝上，变速电机输出端固定安装有第一齿轮9，第一转轴7上固定安装有第二齿轮10，第一齿轮9与第二齿轮10啮合配合。通过第二控制器19调节变速电机8的角速度ω₁，使得变速电机8输出端的第一齿轮9与第一转轴7上的第二齿轮10啮合配合的速度可控，通过第一齿轮9与第二齿轮10的齿比得出第一转轴7的角速度ω，由此控制向心力实验中的角速度的变化，方便得出各种不同角速度下的向心力的大小。

更进一步的，如图所示，本实施例所述的第一控制器18可分别控制每一个电动伸缩杆4。实验人员通过第一控制器18控制同一圆环槽3的所有电动伸缩杆4活动杆向上运动，电动伸缩杆4活动杆的上端面往上推动对应的顶出装置16，通过顶出装置16与测量圆环99的配合控制测量圆环的数量，操作十分简单方便。

更进一步的，如图所示，本实施例所述的第一外壳1为透明材质。当本发明运行时方便实验人员直接观察运行过程。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种物理实验向心力演示装置，其特征在于：包括第一壳体(1)，第一壳体(1)为圆柱形，第一壳体(1)内圆柱面水平方向固定连接圆板(2)，圆板(2)上开有n个均与圆板(2)同心的圆环槽(3)，圆环槽(3)之间等距，圆环槽(3)内底面均固定连接数个活动杆朝上的电动伸缩杆(4)，圆环槽(3)内均设有水平的第一圆环板(5)，同一圆环槽(3)内的所有电动伸缩杆(4)的活动杆上端固定连接对应的第一圆环板(5)下表面，圆板(2)中心开通孔(6)，第一壳体(1)内设有竖直的第一转轴(7)，第一转轴(7)穿过通孔(6)，第一转轴(7)与圆板(2)、第一壳体(1)之间均通过滚动轴承连接，第一转轴(7)下部安装有动力装置(98)，圆板(2)上方设有水平的滑杆(11)，滑杆(11)内端与第一转轴(7)固定连接，第一转轴(7)上固定连接矩形框(12)，滑杆(11)位于矩形框(12)内，滑杆(11)上配合安装n个单个质量为m、单个外圆柱面长度为a的测量圆环(99)，测量圆环(99)和滑杆(11)均不与矩形框(12)接触，测量圆环(99)的外圆柱面上均开楔形环槽(13)，楔形环槽(13)过测量圆环(99)轴线的截面为直角三角形，楔形环槽(13)的垂直面靠近相应的测量圆环(99)外端面，楔形环槽(13)的斜面靠近相应测量圆环(99)的内端面且与楔形环槽(13)垂直面相交，楔形环槽(13)与滑杆(11)同轴，矩形框(12)内部远离第一转轴(7)的端面固定连接压力传感器(14)，最外端测量圆环(99)外端面至压力传感器(14)测压面的距离为d₁，最内端测量圆环(99)内端面至矩形框(12)靠近第一转轴(7)的内端面的距离为d₂，d₁与d₂之和小于一个楔形环槽(13)的最大水平宽度，压力传感器(14)测压面至第一转轴(7)轴线的距离为L，矩形框(12)下部对应第一圆环板(5)上表面开有通孔(15)，通孔(15)内均设有顶出装置(16)，顶出装置(16)与楔形环槽(13)一一对应并能与楔形环槽(13)配合使测量圆环(99)向第一转轴(7)的方向运动，第一壳体(1)外圆柱面上固定连接显示器(17)、第一控制器(18)、第二控制器(19)，显示器(17)与压力传感器(14)相连，第一控制器(18)与数个电动伸缩杆(4)相连，第二控制器(19)与动力装置(98)相连。

2.根据权利要求1所述的一种物理实验向心力演示装置，其特征在于：所述的顶出装置(16)包括第二圆环板(20)，第二圆环板(20)水平放置，第二圆环板(20)外圆柱面与通孔(15)内壁固定连接，第二圆环板(20)内圆柱面滑动配合有顶杆(21)，顶杆(21)上端对应楔形环槽(13)为楔形，顶杆(21)侧面与第二圆环板(20)上表面通过弹簧(22)连接，顶杆(21)下端安装有滚轮，滚轮外缘与第二圆环板接触。

3.根据权利要求1所述的一种物理实验向心力演示装置，其特征在于：所述的第一圆环板(5)上表面对应顶出装置(16)的滚轮外缘开有浅圆环槽(23)，浅圆环槽(23)与第一圆环板(5)同轴。

4.根据权利要求1所述的一种物理实验向心力演示装置，其特征在于：所述的动力装置(98)包括变速电机(8)，变速电机(8)的角速度为ω₁，变速电机(8)输出端朝上，变速电机输出端固定安装有第一齿轮(9)，第一转轴(7)上固定安装有第二齿轮(10)，第一齿轮(9)与第二齿轮(10)啮合配合。

5.根据权利要求1所述的一种物理实验向心力演示装置，其特征在于：所述的第一控制器(18)可分别控制每一个电动伸缩杆(4)。

6.根据权利要求1所述的一种物理实验向心力演示装置，其特征在于：所述的第一外壳(1)为透明材质。

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