CN202258038U

CN202258038U - 力的矢量合成与分解教学演示仪

Info

Publication number: CN202258038U
Application number: CN2011203553696U
Authority: CN
Inventors: 武振锋; 张强; 朱黎; 肖强; 李宗刚; 王瑜
Original assignee: Lanzhou Jiaotong University
Current assignee: Lanzhou Jiaotong University
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2021-09-09

Abstract

本实用新型公开了一种力的矢量合成与分解教学演示仪，包括绘图板、汇力环调节柱、紧固螺栓、滑轮调整器、钩码、受力细绳和绘图板支架。绘图板上置有量角器、位置调整孔、滑槽、绘图纸，绘图纸压块将绘图纸固定在绘图板上；汇力环调节柱设置在绘图板的最左端，连接细绳分别将橡皮筋、连接环和汇力环连接起来；滑轮调整器由滑动支架、滑轮支架、滑轮和滚动轴承组成，根据实验所需的角度，滑轮调整器可以安装在绘图板上不同的位置调整孔处，滑动支架采用紧固螺栓及自身下端的圆柱形凸台与滑槽之间的摩擦力固定，滑轮支架可在滑动支架上进行360°圆周旋转；三条受力细绳的一端与汇力环相连，另一端绕过滑轮连接下垂的钩码。本演示仪降低了实验过程中的误差，可以较好地验证分力与合力之间的平行四边形矢量关系，有利于提高实验教学的效果。

Description

力的矢量合成与分解教学演示仪

技术领域

本实用新型涉及一种实验装置，具体的说，是高中物理课程中关于力的矢量合成与分解教学演示的装置。

背景技术

目前，多数的普通高中均采购了不同种类的“力的合成与力的分解实验仪”，以图1所示仪器为最多。该装置由木板、绘图纸、弹簧测力计、橡皮筋、细绳和图钉等组成，虽然该装置具有结构简单、水平放置，便于绘图的优点，但在实际教学中发现此种仪器存在以下不足：

①、实验者不能单独完成实验，须多人配合方可进行；

②、分力、合力的大小和方向完全由实验者拉动弹簧测力计控制，实验基础数据缺乏稳定性，导致分力与合力之间的平行四边形矢量关系验证精度低。

除上述装置外，在实验课教学中经常使用的还有另外一种力的合成与分解演示装置，其如图2所示。该装置由刻度盘、位置可调滑轮、弹簧测力计、细绳、钩码、支架等组成，虽然该装置具有竖直放置、实验效果比较宏观的的优点，但在实际教学中发现此种仪器也存在以下不足：

①、因为该装置无绘图的介质，所以实验者无法画出直观的分力、合力所构成的矢量图形，实验者在实验时只能将分力、合力矢量转移到黑板或白纸等其他介质上，实验操作方法不能保证实验的连贯性，造成实验累计误差较大；

②、该装置在调整分力方向时操作困难，需要反复调整才能确定分力夹角，同时由于细绳造成的角度视差、汇力环的偏心和滑轮的静摩擦大等因素，造成实验结果误差较大；

③、由于该装置支架部分不够牢固，当两分力数值相差较大时，装置容易侧翻。

发明内容

鉴于上述两种现有实验仪器在实际教学演示中存在的缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种力的矢量合成与分解教学演示仪。通过应用本演示仪，可以验证出不在同一直线上的两个力的合力满足平行四边形矢量关系，另外还可以有效地降低实验误差，进而使学生加深对力学问题的理解。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

力的矢量合成与分解教学演示仪，是由绘图板、汇力环调节柱、紧固螺栓、滑轮调整器、钩码、受力细绳和绘图板支架构成。绘图板上置有量角器、位置调整孔、滑槽、绘图纸，绘图纸压块将绘图纸固定在绘图板上；汇力环调节柱设置在绘图板的最左端，两段连接细绳分别将橡皮筋、连接环和汇力环连接起来；滑轮调整器分上、右、下三组，分别由滑动支架、滑轮支架、滑轮和滚动轴承组成，滑动支架的一端由紧固螺栓固定在绘图板上的位置调整孔内，另一端装有滑轮支架，滑动支架下部的圆柱形凸台可在滑槽内滑动，滑轮支架可在滑动支架上实现360°圆周旋转，滑轮上装有滚动轴承；三条受力细绳的一端与汇力环相连，另一端绕过滑轮连接下垂的钩码，绘图板下部置有绘图板支架。

本实用新型与现有技术相比，具有的优点和产生的有益效果是：

①、操作简单，易于绘图：

本仪器采用水平放置，绘图纸由绘图纸压块直接固定在绘图板上，实验者可以直接在绘图纸上验证分力与合力之间的平行四边形矢量关系，保持了实验的连贯性，提高了实验效率，同时也降低了实验数据的误差。

②、通过滑轮调整器扩大了分力夹角的实验范围：

上、下两组滑轮调整器可根据实验的要求，安装在绘图板上、下三个位置调整孔处，进而得到分力之间不同的夹角。另外对于特殊角度，三个滑轮调整器可以组合使用，即右侧滑轮调整器可充当分力，上、下滑轮调整器可充当合力。经验证，本装置可以实验的分力角度区间为(0°，180°)。

③、改进滑轮支架，减小摩擦力：

在滑轮支架上安装滚动轴承，代替原仪器滑轮与固定轴的组合，可以有效地减少受力细绳与滑轮、滑轮与固定轴之间的摩擦力，提高了实验的灵敏度，大大降低了实验结果的误差。

④、增设汇力环调节柱：

通过调整连接细绳在汇力环调节柱上的位置，可以使汇力环与绕过滑轮的受力细绳均在同一平面上，即分力与合力属平面力系。

⑤、避免倾翻与侧翻：

绘图板的下部设有绘图板支架，支撑牢固，完全可以避免实验时的倾翻与侧翻。

⑥、结构简单，安装方便：

滑轮调整器是本装置的核心部件。三组滑轮调整器的尺寸与形状完全相同，具有互换性，可以为制造环节提供便利条件。滑动支架的固定方式是首先拧紧紧固螺栓，然后利用滑动支架下端的圆柱形凸台与滑槽之间的摩擦力实现自锁，固定效果良好。滑轮支架采用轴孔配合的方式与滑动支架相连，滑轮支架可在滑动支架上实现360°旋转，便于调整滑轮的切线方向与分力或合力的方向平行。

附图说明

图1现有力的合成与分解实验仪1。

图2现有力的合成与分解实验仪2。

图3本实用新型平面示意图。

图4本实用新型立面示意图。

图5是图3汇力环调节柱示意图。

图6是图3滑轮调整器示意图。

图7是实施例中②演示说明附图。

图8是实施例中③演示说明附图。

图9是实施例中④演示说明附图。

图10是实施例中⑤演示说明附图。

具体实施方式

如图3、图4所示，力的矢量合成与分解教学演示仪，是由绘图板1、汇力环调节柱2、紧固螺栓9、滑轮调整器10、钩码15、受力细绳19和绘图板支架20构成。绘图板上置有量角器7、位置调整孔16、滑槽8、绘图纸17，绘图纸压块18将绘图纸17固定在绘图板1上，起到方便绘图的作用；汇力环调节柱2设置在绘图板1的最左端，两段连接细绳3分别将橡皮筋4、连接环5和汇力环6连接起来(见图5)；滑轮调整器10分上、右、下三组，分别由滑动支架11、滑轮支架12、滑轮13和滚动轴承14组成(见图6)，滑动支架11的固定方式是首先拧紧紧固螺栓9，然后利用滑动支架下端的圆柱形凸台与滑槽8之间的摩擦力实现自锁，滑轮支架12采用轴孔配合的方式与滑动支架11相连，滑轮支架12可在滑动支架11上实现360°圆周旋转，以便于调整滑轮13的切线方向与分力或合力的方向平行；三段受力细绳19的一端与汇力环6相连，另一端绕过滑轮支架12上的滑轮13与钩码15相连。绘图板1上设置7个位置调整孔16，可根据实验所需角度，设置滑轮调整器10的不同位置，另外三个滑轮调整器10可以调换组合使用，可以实验的分力角度区间为(0°，180°)；绘图板1下部置有绘图板支架20，起固定整套装置的作用。

实施例1：

对于分力夹角为特殊角度和一般角度的情况，本实用新型均可以验证分力与合力之间的平行四边形矢量关系。因特殊角度没有一般性，且与一般角度的操作方法基本相同，所以现只对一般角度的操作方法说明如下：

①、首先用绘图纸压块18将绘图纸17固定在绘图板1上，然后将两段连接细绳3、橡皮筋4(可自定根数)、连接环5和汇力环6连接起来，并将其一端拴在汇力环调节柱2上，在橡皮筋4不受外力的状态下，在绘图纸17上标记其水平伸展点，记为O点，同时放置量角器7，使其零点与O点重合。

②、在汇力环6上系两根受力细绳19和19′，分别绕过上、下滑轮13和13′，分别旋转上、下滑动支架11和11′，将上、下紧固螺栓9和9′拧紧，然后在上、下滑动支架11和11′上分别旋转滑轮支架12和12′，使上、下滑轮13和13′的切线方向与两个分力方向F₁、F₂平行。轻拉受力细绳19和19′，用直尺在绘图纸1上分别画出受力细绳19和19′(即分力)的方向。(见图7)

③、分别在受力细绳19和19′的末端挂上一定数量的钩码15和15′，此时汇力环6的位置已被拉至O₁点，在绘图纸17上标记出O₁点的位置，然后根据钩码15和15′的重量按一定比例沿②部确定的F₁、F₂方向画出两分力的大小。(见图8)

④、将③所使用的受力细绳19和19′、钩码15和15′移出，以③步所画出的两条矢量线段(F1和F2)为邻边画平行四边形，并画出该平行四边形的对角线。由于方向误差，此时对角线的一端点不一定和O₁点重合。根据③步确定的钩码重量与矢量长度的比例关系，计算出理论合力F_理合的数值。(见图9)

⑤、画线段连接O和O₁点，在汇力环6上系受力细绳19，并将其一端绕过仪器右侧的滑轮13，调整滑动支架11与滑轮支架12的角度，使受力细绳19的方向与线段OO₁重合，在中滑轮上试挂钩码15，使汇力环的中心与O₁点重合。此时钩码的总重量即为实验合力F_实合的数值。(见图10)

⑥、根据理论合力F_理合与实验合力F_实合数值，采用公式Δ＝|F_理合-F_实合|/F_理合×100％来计算装置的实验误差，经过多次实验，本装置的误差为1-2％，远低于国家相关标准10％的要求。

Claims

1.力的矢量合成与分解教学演示仪，其特征在于：包括绘图板、汇力环调节柱、紧固螺栓、滑轮调整器、钩码、受力细绳和绘图板支架。所述绘图板上置有量角器、位置调整孔、滑槽、绘图纸，绘图纸压块将绘图纸固定在绘图板上；所述汇力环调节柱设置在绘图板的最左端，连接细绳分别将橡皮筋、连接环和汇力环连接起来；所述滑轮调整器由滑动支架、滑轮支架、滑轮和滚动轴承组成，滑动支架的一端由紧固螺栓固定在绘图板上的位置调整孔内，另一端装有滑轮支架，滑动支架下部的圆柱形凸台可在滑槽内滑动，滑轮上装有滚动轴承；所述受力细绳一端与汇力环相连，另一端绕过滑轮连接下垂的钩码；所述绘图板下部置有绘图板支架。

2.如权利要求1所述的力的矢量合成与分解教学演示仪，其特征在于：位置调整孔的数量为7个。

3.如权利要求1所述的力的矢量合成与分解教学演示仪，其特征在于：连接细绳为两段。

4.如权利要求1所述的力的矢量合成与分解教学演示仪，其特征在于：滑轮调整器在绘图板上按上、右、下方式布局，合计为三组。

5.如权利要求1所述的力的矢量合成与分解教学演示仪，其特征在于：滑动支架的固定方式是首先拧紧紧固螺栓，然后利用滑动支架下端的圆柱形凸台与滑槽之间的摩擦力实现自锁。

6.如权利要求1所述的力的矢量合成与分解教学演示仪，其特征在于：滑轮支架采用轴孔配合的方式与滑动支架相连，滑轮支架可在滑动支架上实现360°圆周旋转。