CN203882488U - 一种简谐运动与单位圆演示仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种教学仪器，具体涉及一种简谐运动与单位圆演示仪，目的在于安装简单，操作容易，便于课堂演示，所采用的技术方案为：包括壳体、驱动圆环、水平滑块、水平滑轨、垂直轨道、圆周球和简谐球。本实用新型通过圆周球作为单位圆，简谐球作为单位圆的投影，将简谐运动规律很好的演示出来，本实用新型采用这样的设计巧妙地利用了两小球的联动关系，真观地表现了圆周运动和简谐运动的关系，具有操作方便易行，演示效果直观，教学效果好，能很好地体现实验探究的新理念。

Description

一种简谐运动与单位圆演示仪

技术领域

本实用新型涉及一种教学仪器，具体涉及一种简谐运动与单位圆演示仪。

背景技术

教学手段是实现教学目标的关键,新课标同时指出,实验探究是实施物理新课标的重要方法.新课标将科学探究引入学生的学习过程之中，让学生模仿和经历科学家进行科学研究时的方法，去获取知识，领悟科学的思想和方法，领悟科学家探究自然规律时所进行的各项活动。对简谐运动的规律探究中，引入了单位圆，通过实验引导，让学生明白简谐运动周期是怎么得出来的。在教学过程中，通过数学推导和实验演示可以证明弹簧振子做简谐运动的周期。但传统实验装置安装较繁,操作复杂，不便于课堂演示。

发明内容

为了克服以现有技术中的问题，本实用新型提出一种安装简单，操作容易，便于课堂演示的简谐运动与单位圆演示仪。

为了实现以上目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种简谐运动与单位圆演示仪，包括壳体、垂直轨道、水平滑轨，以及驱动圆环；所述垂直轨道固定在壳体内，水平滑轨在垂直轨道内移动；另外，所述水平滑轨上套设有与驱动圆环固定连接的水平滑块且水平滑块在水平滑轨上滑动，所述水平滑块上固定有圆周球，所述水平滑轨上固定有简谐球；

所述的壳体上还设置有显示圆周球运动轨迹和简谐球运动轨迹的演示板。

所述的圆周球通过夹件夹持在水平滑块上。

所述水平滑块为类似U形的一端开口结构，所述圆周球设置在水平滑块开口端。

所述的驱动圆环上设置有手柄。

所述的驱动圆环内设置有连接件用于拨动驱动圆环运动。

所述的圆周球和简谐球设置在水平滑轨的同一个平面上。

所述的壳体设置在稳固装置的底座上。

与现有技术相比，本实用新型利用驱动圆环带动水平滑块做圆周运动，水平滑块同时又带动水平滑轨在垂直轨道上简谐运动，通过圆周球作为单位圆，简谐球作为单位圆的投影，将简谐运动规律很好的演示出来。本实用新型巧妙地利用了圆周球和简谐球的联动关系，直观地表现了圆周运动和简谐运动的关系，操作方便易行，演示效果直观，教学效果好，很好地体现实验探究的新理念。

更进一步，采用演示板使圆周球的圆周运动和简谐球的简谐运动，更加直观，容易观察记录。

更进一步，驱动圆环上设置有手柄，方便了对驱动圆环的操作，保证了整个装置操控的方便。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的演示面板图；

图3为本实用新型原理图；

其中：1为壳体，2为驱动圆环，3为水平滑块，4为圆周球，5为简谐球、6为水平滑轨，7为垂直轨道、8为演示板。

具体实施方式

本实用新型涉及一种教学仪器，具体涉及一种简谐运动与单位圆演示仪，包括壳体、驱动圆环、水平滑块、水平滑轨、垂直轨道、圆周球和简谐球。本实用新型通过圆周球作为单位圆，简谐球作为单位圆的投影，将简谐运动规律很好的演示出来，本实用新型采用这样的设计巧妙地利用了两小球的联动关系，真观地表现了圆周运动和简谐运动的关系，具有操作方便易行，演示效果直观，教学效果好，能很好地体现实验探究的新理念。

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

参见图1和图2，本实用新型包括壳体1以及固定在壳体1内能够旋转的带手柄的驱动圆环2，驱动圆环2的圆周上通过轴承连接有水平滑块3，水平滑块3连接水平设置的水平滑轨6，并能在水平滑轨6上滑动，壳体1内两侧垂直方向上设置有带轨槽的垂直轨道7，水平滑轨6两端嵌入垂直轨道7的轨槽中，能够上下垂直运动；水平滑块3上设置有演示圆周运动的圆周球4，水平滑轨6中间位置上设置有演示简谐运动的简谐球5，圆周球4和简谐球5采用不同的颜色，壳体1上还设置有根据圆周球4运动轨迹和简谐球5运动轨迹对应的演示板8，壳体1设置在稳固装置的底座上。

本实用新型的工作过程：转动手柄9，使驱动圆环2旋转，带动水平滑块3和圆周球4做圆周运动，同时水平滑块3在水平滑轨6上滑动，并给水平滑轨6一个竖直方向的力，就带动水平滑轨6和简谐球5沿垂直轨道7上下垂直运动，通过演示板可以看到圆周球4做圆周运动，简谐球5做简谐运动。

参见图3，对比弹簧振子试验，简谐球5可以看作圆周球4的投影，在简谐运动中，回复力F与位移x满足的关系是加速度质量为m的圆周球，从x轴的M点开始做匀速圆周运动，圆周半径为R，转动的角速度为ω，经过时间t，小球到了N位置.它的向心加速度a=ω²R，此时在x轴方向上的投影（即它在x轴上的投影简谐球5的加速度）的大小为：

a_x=ω²Rcosωt   （1）

它在x轴上的投影离O点的距离是：

x=R·cosωt   （2）

代入（1）式，可得：a_x=ω²x

因为a_x的方向和x的方向相反，所以有：

式中ω²是一个定值，因此可以确定圆周球4在x轴上的投影简谐球5做的是简谐运动，ω叫做简谐运动的圆频率。

简谐球5做简谐运动的周期可以利用圆周球4的周期表示。将（3）式与比较可得 ${\mathrm{\ω}}^2=\frac{k}{m},$ 即 $\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{k}{m}}$ （其中m是振子的质量，k是比例系数）。代入圆周运动的周期可得：

$T=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{m}{k}}.$

本实用新型真观地表现了圆周运动和简谐运动的关系，具有操作方便易行，演示效果直观，教学效果好，能很好地体现实验探究的新理念。

Claims (8)

1.一种简谐运动与单位圆演示仪，其特征在于：包括壳体(1)、垂直轨道(7)、水平滑轨(6)，以及驱动圆环(2)；所述垂直轨道(7)固定在壳体(1)内，水平滑轨(6)在垂直轨道(7)内移动；另外，所述水平滑轨(6)上套设有与驱动圆环固定连接的水平滑块(3)且水平滑块(3)在水平滑轨上滑动，所述水平滑块(3)上固定有圆周球(4)，所述水平滑轨上固定有简谐球(5)。 

2.根据权利要求1所述的简谐运动与单位圆演示仪，其特征在于：所述的壳体(1)上还设置有显示圆周球(4)运动轨迹和简谐球(5)运动轨迹的演示板(8)。 

3.根据权利要求1所述的简谐运动与单位圆演示仪，其特征在于：所述的圆周球(4)通过夹件夹持在水平滑块上。 

4.根据权利要求1或3所述的简谐运动与单位圆演示仪，其特征在于：所述水平滑块为U形的一端开口结构，所述圆周球设置在水平滑块开口端。 

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的简谐运动与单位圆演示仪，其特征在于：所述的驱动圆环(2)上设置有手柄。 

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的简谐运动与单位圆演示仪，其特征在于：所述的驱动圆环(2)内设置有连接件用于拨动驱动圆环运动。 

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的简谐运动与单位圆演示仪，其特征在于：所述的圆周球(4)和简谐球(5)设置在水平滑轨的同一个平面上。 

8.根据权利要求1至3中任意一项所述的简谐运动与单位圆演示仪，其特征在于：所述的壳体(1)设置在稳固装置的底座上。