CN202549114U

CN202549114U - 电动向心力定量分析演示仪

Info

Publication number: CN202549114U
Application number: CN 201220118069
Authority: CN
Inventors: 代伟; 徐平川; 谢春茂
Original assignee: China West Normal University
Current assignee: China West Normal University
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2022-03-27

Abstract

本实用新型公开了一种电动向心力定量分析演示仪，其特征在于：由机座（1）、机座上安装有转速可调，转速可测试的微型电动机，竖直向上的电机轴上套装有固定座（7），固定座处于同一轴线的两端各活动固定有一段一端封闭的透明管材，一个第一段管材（8）管内的一端装有压缩弹簧（10），压缩弹簧的自由端接触一推板（11），推板的另一面装设被试验的配重小球（12），推板还与安装在管壁上的弹簧变形量指示装置配合，一个第二管材（9）的另一端装有轻质垫块（13），所述垫块与一个实验的配重小球配合。本实用新型能对向心力公式F=mω²R中的各个物理量进行准确测量。

Description

电动向心力定量分析演示仪

技术领域

本实用新型一般涉及一种物理实验装置，特别是一种测量物体作圆周运动时向心力定量分析测量仪。

背景技术

在物理实验装置中，尤其是力学实验装置中，经常要涉及根据向心力公式F=mω²R，测定不同质量、不同半径、不同转速条件下物体作圆周运动时向心力的大小。在物理教学中使用电动向心力定量分析演示实验仪可以达到以下三个目的:

1) 达到使学生直观了解向心力与哪些因素有关的目的，帮助教师完成对向心力进行定性演示的任务。

2) 达到使学生信服向心力公式F=mω²R的目的，帮助教师完成粗略验证向心力公式的演示任务。

3) 达到帮助师生共同用实验方法探究向心力公式的目的，完成对向心力进行定量研究的任务。

公知的电动向心力定量分析演示仪存在的主要不足：

大家知道，F=mω²R中各量之间的关系，是在转动情况下存在的瞬时关系。困难的是，一旦物体转动起来(特别是转快了时)，我们就很难直接观察得到F、R的大小，显然，原有的向心力演示器都遇到了这个困难。目前用电动的方法来定量演示向心力公式F=mω²R的演示仪器较多，但这些电动向心力演示仪在转动半径测量和向心力大小测量装置设计上都存在一些不足，现有的一种电动向心力演示仪为了测量动态下物体作圆周运动的半径R，采用的是碰撞定位器来定位转动半径的大小。首先该装置的定位结构有些复杂，在实验过程中必须仔细移动碰撞定位器才能使定位器动作，操作困难；第二点不足之处是原有的向心力演示装置的的研究对象为一盒体，研究对象质量的改变是通过加减盒体内的砝码来实现。这种装置在演示向心力时研究对象的质心会随着盒内砝码的加减而会随之改变，通过碰撞定位装置测出的转动半径就会随砝码质量的改变而产生误差；第三点不足之处是研究对象和自动平衡块在带标尺的旋转臂上运动的形式是滑动，滑动产生的摩擦阻力较大会对定量分析向心力产生较大的误差。还有一种电动向心力演示仪存在的缺陷和前一种装置类似，另外还有一个不足之处是它的调速是通过塔型皮带轮完成的，操作不方便，速度大小也会因市电电压的波动产生较大误差。另外该装置的演示对象是圆柱体，当圆柱体的质量改变时其转动惯量改变较大，在电机转矩不变的情况下ω会产生较大的变化，但该装置不能测出与之对应的ω来，所以用它定量分析向心力公式也会产生较大的误差。

中国实用新型专利，专利号为：CN89215144.7公开了一种向心力演示器，该演示器的结构和上面两种电动向心力演示器相似，也是通过调速器改变电机转速ω。平衡重物和作圆周运动的重物上方装有滚轮，滚轮的中部有弧形凹槽以便重物在横杆上滑动。演示器的机壳内装有半径放大显示装置和向心力放大显示装置来测量动态下重物作圆周运动的半径和向心力。但该演示器也存在一些不足：第一，物体作圆周运动时m的改变也是通过向砝码盘内加减砝码来实现，m改变砝码盘的质心也随之改变，测出的转动半径就会随砝码质量m的改变而产生误差；第二，演示器只有调速装置没有速度测量装置，只能定性演示向心力随ω改变，不能定量演示ω与向心力F的关系；第三，演示器虽然在机壳内装有半径放大显示装置和向心力放大显示装置来测量动态下重物作圆周运动的半径和向心力，但测量是在动态下进行测量不方便也不准确。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一个能克服公知技术缺点，能对向心力公式F=mω²R中的各个物理量进行准确测量，能将动态下的与向心力F有关的几个物理量质量m、半径R、转速ω准确无误地固定下来，留在静态下去进行观察测量，从而完成定性演示向心力和定量研究向心力的教学任务的电动向心力定量分析演示仪。

为实现上述目的，本实用新型的方案为：电动向心力定量分析演示仪，由机座、机座上安装有转速可调，转速可测试的微型电动机，竖直向上的电机轴上套装有固定座，固定座用来安装两段透明的管材，其中一段的管材管内的一端装有压缩弹簧，压缩弹簧的自由端接触一推板，推板的另一面装设被试验的配重小球，推板还与安装在管壁上的弹簧变形量指示装置配合；另一段的管材内一端装有轻质垫块，所述垫块前端装有一个实验用的配重小球。

采用上述方案，形成一个测量向心力的旋转装置，其转速可调整，便于得到不同的角速度ω，转速可通过测速装置测出，向心力F的测量是通过平衡小球压缩测力弹簧进而移动推板，通过测位移量X算出向心力F，作圆周运动时小球m的改变是通过配备铜、铁、铝或其它材质，它们是半径相同，质量不同的一组小球，小球作圆周运动的半径R的改变是通过选用不同长度的轻质垫块实现，可通过可获得的一组参数，小球质量m、角速度ω，旋转半径R，利用公式F=mω²R计算出向心力F，验证其与实验所获得的向必力F是否符合。该仪器能很好地完成演示向心力和定量研究向心力的教学任务。从而实现了本实用新型的目的。

附图说明

图1为电动向心力定量分析演示仪装配图；

图2为图1中A—A剖视图。

具体实施方式

如图1所示，所述的电动向心力定量分析演示仪包括底座1，底座上安装有微型电动机，在图示中电动机被面板柜2挡住，面板柜2中装有调速装置等，由于调速装置为公知技术，所以没有画出，面板上旋钮3为调速旋钮，其余按键为控制电机的按键开关4，及指示灯5。微型电机的轴6上套装有固定座7，固定座的两端各安装有轴线与电机轴6轴线垂直的一段透明管材，包括一个第一管材8，一个第二管材9，所述管材与固定座的连接采用螺纹连接或其他连接方式均可，管材8及管材9均为透明材质，本实施例采用透明有机玻璃管，管材均为一端封闭，一端开口，管口加工有与固定座连接的一段螺纹，其中的一根管，例如管8从开口端塞入一段测力用压缩弹簧10，弹簧的一端接触一推板11，推板11的圆周与管壁活动配合，推板11的另一端装有被试验的一个第一配重小球12，另一段管9管内靠近封闭端装有一段泡沫垫块13，及一个第二配重小球14，配备不同长度的泡沫垫块13，演示小球旋转半径的改变对向心力的影响。

在管8外还设有一个弹簧变形量指示装置，如图2所示，沿管8管身开有一道滑槽15，沿槽15贴一条有燕尾槽的导轨16，导轨16上配合一滑块17，滑块上有过孔，螺钉18穿过过孔与推板11相连，螺钉上压有一根指示针19，所述指示针与管壁上刻的标尺20配合。

微型电机转速测试装置包括在电机轴6上固定一根挡光杆21与光电门22配合，测出电动机的旋转周期T进而测出电机转速ω。转速由显示装置23显出。

使用本装置时，在管8中放入试验小球12，开启电机，小球在旋转过程中获得向心力F，向心力F推动推板11压缩弹簧10，标尺19指示出刻度，从而算出弹簧的变形量，在已知弹簧劲度系数的情况下可算出金属小球作圆周运动所产生的向心力F，仪器配备铜、铁、铝三种大小相同质量不同的小球以改变小球作圆周运动时小球的m，选用不同高度的泡沫垫块13改变小球14作圆周运动的半径R，通过这样的设计就能将动态F的与向心力F有关的几个物理量，m、R、ω准确无误地固定下来，留在静态时去进行观察测量，从而完成演示向心力和定量研究向心力的教学任务。

获取m、R、ω的参数时,同时一次实验也可以,若这样的话，装入管8，管9的试验小球采用同一质量同一大小即可，或分别试验。

下面再举几个具体的实施例：

实验用金属小球直径d=30mm，弹簧的倔强系数K=100N/m，电机可无极调速。

（1）保持R=100mm不变，改变小球质量m，测量中通过无极调速尽量使旋转周期保持不变。

从表1看出，R和ω保持一定时小球质量越大向心力越大，通过实验达到使学生信服向心力公式F=mω²R的目的。

（2）选用铜球进行实验保持m不变，改变旋转半径R，测量中通过无极调速尽量使旋转周期保持不变。

从表2看出，m和ω保持一定时，转动半径越大向心力越大。

（3）选用铜球进行实验保持m不变，旋转半径R=100mm不变，测量中通过无极调速改变转速。

从表3看出，m和R保持一定时，转动速度越快向心力越大。

上述实验中通过选取不同的m、ω、R进行实验，将实验测得的向心力F′与理论值F进行比较，测量相对误差都在5%以内，所以改进后的电动向心力演示仪能对向心力公式进行很好的定量分析。

Claims

1.一种电动向心力定量分析演示仪，其特征在于：由机座（1）、机座上安装有转速可调，转速可测试的微型电动机，竖直向上的电机轴上套装有固定座（7），固定座处于同一轴线的两端各活动固定有一段一端封闭的透明管材，一个第一段管材（8）管内的一端装有压缩弹簧（10），压缩弹簧的自由端接触一推板（11），推板的另一面装设被试验的配重小球（12），推板还与安装在管壁上的弹簧变形量指示装置配合，一个第二管材（9）的另一端装有轻质垫块（13），所述垫块与一个实验的配重小球配合。

2.根据权利要求1所述的一种电动向心力定量分析演示仪，其特征在于：弹簧变形量指示装置，沿一个第一段管材（8）管身开有一道槽（15），沿槽贴一条有燕尾槽的导轨（16），导轨上配合一滑块（17），滑块上有过孔，螺钉（18）穿过过孔与推板（11）相连，螺钉上压有一根指示针（19），所述指示针与管壁上刻的标尺（20）配合。