CN113380121A

CN113380121A - 一种向心力实验装置

Info

Publication number: CN113380121A
Application number: CN202110619472.5A
Authority: CN
Inventors: 谭文
Original assignee: Hainan Lizi Intellectual Property Operation Co ltd
Current assignee: Hainan Lizi Intellectual Property Operation Co ltd
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2021-09-10

Abstract

本发明公开了一种向心力实验装置，包括底座、转盘、控制器、旋转电机、光电门、拉力传感器、压力传感器、球体和不具备弹性的柔性绳。转盘中心设有中心轴，旋转电机用于驱动转盘转动。转盘上设有限位槽，拉力传感器套设在中心轴上，拉力传感器的拉环朝向限位槽，限位槽内设有限位环，柔性绳穿过限位环并分别与拉环和球体连接，拉环的中心、限位环的中心和球体的球心处在与同一水平线上，水平线穿过中心轴的中心。压力传感器环状设置在限位环的内壁。转盘底部设有直杆，光电门用于监测直杆的转动。本发明涉及物理学实验设备技术领域，用以解决现有的向心力演示实验不直观、误差大和无法获取实验数据的技术问题。

Description

一种向心力实验装置

技术领域

本发明涉及物理学实验设备技术领域，尤其涉及一种向心力实验装置。

背景技术

科技项目是指以科学研究和技术开发为内容而单独立项的项目，其目的在于解决经济和社会发展中出现的科学技术问题。进行科学研究和技术开发需要经过多次科学实验，进行科学实验需要利用各种实验装置。

向心力是当物体沿着圆周或者曲线轨道运动时，指向圆心(曲率中心)的合外力作用力，向心力的计算公式为F＝mω²r(F为向心力、m为物体的质量、ω为角速度、r为物体的运动半径)。目前，一般通过人为摇动手柄带动转盘转动，转盘通过活动杆带动球体转动，球体在转动过程中使套在转盘中心轴的弹簧向下发生形变，弹簧带动套筒下移，从而露出套在套筒内部的标识杆，通过观察标识杆判断向心力的大小。现有的向心力演示实验无法直观看出与向心力与各物理量的变化关系，同时受各种因素影响，导致实验数据误差变大，且无法得出具体实验数据以验证向心力的计算公式是否成立，为解决上述问题，本发明提供了一种向心力实验装置。

发明内容

本申请实施例提供了一种向心力实验装置，用以解决现有的向心力演示实验不直观、误差大和无法获取实验数据的技术问题。

有鉴于此，本申请提供了一种向心力实验装置，包括底座、转盘、控制器、旋转电机、光电门、拉力传感器、压力传感器、球体和不具备弹性的柔性绳；

所述转盘位于所述底座上方，所述旋转电机设置在所述底座的下方，所述转盘中心设有垂直贯穿所述转盘的中心轴，所述中心轴穿过所述底座的顶部与所述旋转电机的转轴连接，所述旋转电机用于驱动所述转盘转动；

所述转盘上表面设有连通所述转盘中心的限位槽，所述拉力传感器套设在所述中心轴上，所述拉力传感器的拉环朝向所述限位槽设置，所述限位槽内设有限位环，所述柔性绳穿过所述限位环，所述柔性绳的两端分别与所述拉环和所述球体连接，所述拉环的中心、所述限位环的中心和所述球体的球心处在与同一水平线上，所述水平线穿过所述中心轴的中心；所述压力传感器环状设置在所述限位环的内壁；

所述光电门竖直设置在所述转盘和所述底座之间，所述转盘底部竖直设有直杆，所述光电门用于监测所述直杆的转动；

所述控制器包括主控板和与所述主控板连接的显示屏，所述主控板分别与所述旋转电机、所述光电门、所述拉力传感器和所述压力传感器电性连接。

可选地，所述限位槽的深度大于所述球体的半径。

可选地，所述限位槽由所述转盘的边缘连通至中心，所述限位槽上远离所述转盘中心的一端设有用于防止所述球体飞出的挡板。

可选地，所述挡板靠近所述转盘中心的一侧设有橡胶层。

可选地，所述挡板上端向所述转盘中心倾斜。

可选地，所述底座上方罩设有用于罩住所述转盘的透明防护罩。

可选地，所述球体上设有通孔，所述柔性绳穿绕所述通孔与所述球体连接。

可选地，所述柔性绳的两端设有卡扣。

可选地，所述底座设有可调节高度的支撑脚。

可选地，所述支撑脚底部设有橡胶层。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中提供了一种向心力实验装置，包括底座、转盘、控制器、旋转电机、光电门、拉力传感器、压力传感器、球体和不具备弹性的柔性绳。转盘位于底座上方，旋转电机设置在底座的下方，转盘中心设有垂直贯穿转盘的中心轴，中心轴穿过底座的顶部与旋转电机的转轴连接，旋转电机用于驱动转盘转动。转盘上表面设有连通转盘中心的限位槽，拉力传感器套设在中心轴上，拉力传感器的拉环朝向限位槽设置，限位槽内设有限位环，柔性绳穿过限位环，柔性绳的两端分别与拉环和球体连接，拉环的中心、限位环的中心和球体的球心处在与同一水平线上，水平线穿过中心轴的中心。压力传感器环状设置在限位环的内壁。光电门竖直设置在转盘和底座之间，转盘底部竖直设有直杆，光电门用于监测直杆的转动。控制器包括主控板和与主控板连接的显示屏，主控板分别与旋转电机、光电门、拉力传感器和压力传感器电性连接。

现有的向心力演示实验一般通过人为摇动手柄带动转盘转动，转盘通过活动杆带动球体转动，球体在转动过程中使套在转盘中心轴的弹簧向下发生形变，弹簧带动套筒下移，从而露出套在套筒内部的标识杆，通过观察标识杆露出的长度判断向心力的大小。与现有的向心力演示实验相比，使用本申请提供的向心力实验装置进行实验，有以下优势：

(1)通过显示屏可直观得知拉力传感器和压力传感器的受力大小，压力传感器读数稳定时，拉力传感器受到的拉力值即向心力的大小。

(2)现有的实验装置，一般通过刚性连接件(如伸缩杆、铰接杆等)连接球体和中心轴，在转动过程中，球体受到刚性连接件的作用力，对该作用力进行分析比较困难，从而难以对球体进行受力分析。本实验装置，使用柔性柔性绳连接球体，柔性绳给予球体的作用力只有可能是指向柔性绳方向的拉力，从而易于对球体进行受力分析。

(3)柔性绳的质量更轻，对实验的误差影响更小。

(4)在限位环内设置压力传感器，通过观察压力传感器受到柔性绳压力的大小情况，判断球体是否与拉力传感器和限位环处在同一水平线上。如球体没有与拉力传感器和限位环处在同一水平线上，拉力传感器受到的拉力并非指向拉力传感器的中心，可能导致显示读数与实际拉力大小存在误差。

(5)向心力公式为F＝mω²r，使用本实验装置进行实验，可通过测量工具测得球体的重量和半径，柔性绳的长度，通过光电门测得球体的角速度(将转速换算为角速度即可)，从而验证验证向心力公式F＝mω²r公式是否成立(球体的重心位于球心，该式中r＝柔性绳长度+球体半径)。

综上所述，本申请提供的向心力实验装置解决了现有的向心力演示实验不直观、误差大和无法获取实验数据的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中提供的向心力实验装置的整体结构示意图；

图2为本申请实施例中提供的向心力实验装置的转盘纵剖视图；

图3为本申请实施例中提供的向心力实验装置的旋转电机刚转动时的俯视图；

图4为本申请实施例中提供的向心力实验装置的旋转电机转速稳定时的俯视图；

图5为本申请实施例中提供的向心力实验装置的模块电性连接框架。

其中，附图标记为：

1、底座；2、支撑脚；3、旋转电机；4、发光端；5、接收端；6、直杆；7、转盘；8、中心轴；9、拉力传感器；10、拉环；11、柔性绳；12、限位槽；13、限位环；14、球体；15、挡板；16、通孔；17、卡扣。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

实施例1

为了便于理解，请参阅图1至图5，本申请提供的一种向心力实验装置的一个实施例，包括底座1、转盘7、控制器、旋转电机3、光电门、拉力传感器9、压力传感器、若干质量不等但大小相同的球体14、若干长度不等且不具备弹性的柔性绳11。

转盘7位于底座1上方，旋转电机3设置在底座1的下方，转盘7中心设有垂直贯穿转盘7的中心轴8，中心轴8穿过底座1的顶部与旋转电机3的转轴连接，旋转电机3用于驱动转盘7转动。

转盘7上表面设有连通转盘7中心的限位槽12，限位槽12用于限制球体14只能在限位槽12内滚动，限位槽12内壁和球体14表面均为光滑面。拉力传感器9套设在中心轴8上，拉力传感器9的拉环10朝向限位槽12设置，拉力传感器9用于测量球体14做圆周运动时通过柔性绳11带来的拉力。限位槽12内设有限位环13，柔性绳11恰好穿过限位环13，柔性绳11的两端分别与拉环10和球体14连接，拉环10的中心、限位环13的中心和球体14的球心处在与同一水平线上，水平线穿过中心轴8的中心。压力传感器环状设置在限位环13靠近球体14一端开口的内壁。

光电门包括发光端4和接收端5，光电门竖直设置在转盘7和底座1之间，转盘7底部竖直设有直杆6，光电门用于监测直杆6和转盘7的转速。转盘7转动时，直杆6可通过发光端4和接收端5中间的区域。

控制器包括主控板和与主控板连接的显示屏，显示屏用于显示读数，主控板分别与旋转电机3、光电门、拉力传感器9和压力传感器电性连接。

使用该实验装置进行实验时，先测量柔性绳11的长度和球体14的重量，将柔性绳11穿过限位环13并连接拉环10和球体14，球体14放置在限位槽12内，通过控制器使旋转电机3转动，旋转电机3的转速逐渐增加，增加到一定转速后匀速转动。旋转电机3带动中心轴8转动，中心轴8带动转盘7转动，转盘7带动拉力传感器9转动，拉力传感器9带动拉环10转动，拉环10通过柔性绳11带动球体14转动。因柔性绳11为柔性连接件，开始转动时，柔性绳11处于松弛状态，球体14在限位槽12内滚动。如图3所示，转盘7开始逆时针转动时，拉力传感器9逆时针转动，球体14受惯性的影响，球体14相对与拉力传感器9顺时针转动，直至球体14抵到限位槽12的内壁。球体14抵到限位槽12内壁后，球体14与中心轴8(实验过程中，中心轴8、转盘7、拉力传感器9、拉环10、限位环13的转速始终一样)以相同的转速转动，球体14受到指向中心轴8反方向的向心力F₂和与限位槽12内壁垂直的支持力F₃(球体14受到的重力和限位槽12底部给予球体14的支持力对本次实验没有影响)，向心力F₂和支持力F₃的合力使得球体14沿着限位槽12内壁往远离中心轴8的方向运动，柔性绳11逐渐由松弛变成紧绷的状态。柔性绳11变为紧绷状态后，靠近球体14一端的柔性绳11与限位环13形成一个钝角，柔性绳11抵在限位环13靠近球体14一端的开口端内壁上，给予设置在该处的压力传感器一定的压力。球体14除了受向心力F₂和支持力F₃外，还受到指向柔性绳11方向的拉力F₁，这三个力的合力使球体14离开限位槽12内壁，球体14离开限位槽12内壁后，球体14只受到拉力F₁和向心力F₂，拉力F₁和向心力F₂的合力使得球体14逐渐运动至与拉环10的中心、限位环13的中心处于同一水平线的位置，在此过程中，位于限位环13两端的柔性绳11变为处在同一直线上，柔性绳11逐渐离开限位环13靠近球体14一端开口的内壁，柔性绳11逐渐离开压力传感器，压力传感器受到的压力逐渐减小。当旋转电机3的转速稳定，球体14运动至与拉环10、限位环13处于同一水平线的位置并稳定转动时，压力传感器受到来自柔性绳11的压力为零(或稳定在较小压力范围内)。控制器的显示屏实时显示拉力传感器9和压力传感器的受力情况，拉力传感器9和压力传感器受力稳定时的数据可作为实验数据。可通过改变旋转电机3的转速、使用不同质量的球体14和不同长度的柔性绳11进行多次实验，获取多组实验数据。

需要说明的是，现有的向心力演示实验一般通过人为摇动手柄带动转盘7转动，转盘7通过活动杆带动球体14转动，球体14在转动过程中使套在转盘7中心轴8的弹簧向下发生形变，弹簧带动套筒下移，从而露出套在套筒内部的标识杆，通过观察标识杆露出的长度判断向心力的大小。与现有的向心力演示实验相比，使用本实施例提供的向心力实验装置进行实验，有以下优势：

(1)通过显示屏可直观得知拉力传感器9和压力传感器的受力大小，压力传感器读数稳定时，拉力传感器9受到的拉力值即向心力的大小。

(2)现有的实验装置，一般通过刚性连接件(如伸缩杆、铰接杆等)连接球体14和中心轴8，在转动过程中，球体14受到刚性连接件的作用力，对该作用力进行分析比较困难，从而难以对球体14进行受力分析。本实验装置，使用柔性柔性绳11连接球体14，柔性绳11给予球体14的作用力只有可能是指向柔性绳11方向的拉力，从而易于对球体14进行受力分析。

(3)柔性绳11的质量更轻，对实验的误差影响更小。

(4)在限位环13内设置压力传感器，通过观察压力传感器受到柔性绳11压力的大小情况，判断球体14是否与拉力传感器9和限位环13处在同一水平线上。如球体14没有与拉力传感器9和限位环13处在同一水平线上，拉力传感器9受到的拉力并非指向拉力传感器9的中心，可能导致显示读数与实际拉力大小存在误差。

(5)向心力公式为F＝mω²r，使用本实验装置进行实验，可通过测量工具测得球体14的重量和半径，柔性绳11的长度，通过光电门测得球体14的角速度(将转速换算为角速度即可)，从而验证验证向心力公式F＝mω²r公式是否成立(球体14的重心位于球心，该式中r＝柔性绳11长度+球体14半径)。

综上所述，本实施例提供的向心力实验装置解决了现有的向心力演示实验不直观、误差大和无法获取实验数据的技术问题。

实施例2

为了便于理解，请参阅图1至图5，本实施例作为实施例1提供的一种向心力实验装置的进一步改进，限位槽12的深度大于球体14的半径。

限位槽12由转盘7边缘连通至中心，限位槽12远离转盘7中心的一端设有用于防止球体14飞出的挡板15。

挡板15靠近转盘7中心的一侧设有橡胶层。

挡板15上端向转盘7中心倾斜。

需要说明的是，球体14的重心位于球心，将限位槽12的深度设置大于球体14的半径，使球体14不易于滚出限位槽12。转动过程中，如果球体14脱离柔性绳11，球体14会向外飞出，设置挡板15防止球体14飞出限位槽12。在挡板15上设置橡胶层，防止球体14与挡板15碰撞时损坏。相比于将挡板15上端竖直设置或向远离转盘7中心倾斜设置，将挡板15设置为向转盘7中心倾斜，使球体14不易越过挡板15。

实施例3

为了便于理解，请参阅图1至图5，本实施例作为实施例1提供的一种向心力实验装置的进一步改进，底座1上方罩设有用于罩住转盘7的透明防护罩。

球体14上设有通孔16，柔性绳11穿绕通孔16与球体14连接。

柔性绳11的两端设有卡扣17，柔性绳11分别通过卡扣17与拉环10和通孔16连接。

底座1设有可调节高度的支撑脚2。

支撑脚2底部设有橡胶层

需要说明的是，防护罩起到保护转盘7的作用，也可避免进行试验时球体14飞出。柔性绳11穿过通孔16与球体14连接，使球体14不易脱离柔性绳11。柔性绳11通过卡扣17与拉环10和通孔16连接，既牢固又便于拆卸，便于更换柔性绳11和球体14。通过可调节高度的支撑脚2调节实验装置的高度，使实验装置适用于各种情形。在支撑脚2底部设置橡胶层，可以防止支撑脚2在桌面上留下划痕，也起到防滑的作用。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种向心力实验装置，包括底座、转盘，其特征在于，还包括控制器、旋转电机、光电门、拉力传感器、压力传感器、球体和不具备弹性的柔性绳；

2.根据权利要求1所述的向心力实验装置，其特征在于，所述限位槽的深度大于所述球体的半径。

3.根据权利要求2所述的向心力实验装置，其特征在于，所述限位槽由所述转盘的边缘连通至中心，所述限位槽上远离所述转盘中心的一端设有用于防止所述球体飞出的挡板。

4.根据权利要求3所述的向心力实验装置，其特征在于，所述挡板靠近所述转盘中心的一侧设有橡胶层。

5.根据权利要求4所述的向心力实验装置，其特征在于，所述挡板上端向所述转盘中心倾斜。

6.根据权利要求1所述的向心力实验装置，其特征在于，所述底座上方罩设有用于罩住所述转盘的透明防护罩。

7.根据权利要求1所述的向心力实验装置，其特征在于，所述球体上设有通孔，所述柔性绳穿绕所述通孔与所述球体连接。

8.根据权利要求7所述的向心力实验装置，其特征在于，所述柔性绳的两端设有卡扣。

9.根据权利要求1所述的向心力实验装置，其特征在于，所述底座设有可调节高度的支撑脚。

10.根据权利要求9所述的向心力实验装置，其特征在于，所述支撑脚底部设有橡胶层。