CN207663629U - 一种向心力演示仪 - Google Patents

Abstract

为了快速并准确地测出向心力大小，更好地验证向心力公式，本实用新型提供一种向心力演示仪，涉及一种物理教学实验仪器。该演示仪主要由电动机、计时器、中心转轴、量角器、支架、摆球、刻度盘和升降台组成。按照本实用新型所提供的设计方案，该演示仪的摆球运动由原来的手动控制变为电动机控制，摆球的水平运动轨迹更接近标准圆，摆球的运动时间及运动的圈数也由人工测量转为计时器自动测量，实验误差大大减小，通过角度和时间的测量就能快速准确地计算出结果，并能与传统的实验有机结合，更有利于实验探究教学的开展。

Description

一种向心力演示仪

技术领域

本发明涉及一种物理教学实验仪器。

背景技术

在高中《物理》必修2（人教版）的“向心力”一节中，验证向心力表达式的实验是圆锥摆。基本的实验过程是将金属小球用细绳悬挂在铁架台上，在桌面上铺上画有同心圆的白纸，首先调节铁架台的支架，使金属小球的初始状态位于同心圆的圆心正上方；然后用手带动小球，让小球做圆锥摆运动，当运动相对稳定时用秒表测出小球运动的时间，并同时记录小球运动的圈数，还要从铁架台上方竖直向下观察运动的小球与哪个同心圆重合，标记下这个圆，等小球停摆后测出这个标记圆的半径；根据小球运动的时间和运动圈数可以计算出小球运动的周期，与标记圆的半径一起代入公式就能计算出小球所受的向心力大小；根据力的合成原理再计算出拉力和重力的合力，就能比较两个力的大小，最后得出实验结论。

教材上的这个实验在设计、原理、操作和学生的参与性方面都很好，但在实际教学过程中还存在几点不足：1、因为是用手带动小球，小球很难沿某一个圆运动，用肉眼都能看出小球的运动轨迹不是圆；2、由于小球运动不规则，很难确定用哪个圆作为标记圆，实际操作的随机性很大；3、用肉眼目测小球的运动圈数和时间，很容易出错；4、记录的圈数一般不超过5圈，小球就会慢慢停摆；5、计算合力的运算量比较大。学生测出的实验结果误差很大，教师在教学中要做很多解释，导致学生对实验的可信度不高，达不到教学效果。

发明内容

为了克服以上的不足，快速并准确地测出向心力大小，更好地验证向心力公式，本发明提供一种向心力演示仪，涉及一种物理教学实验仪器。该演示仪主要由电动机、计时器、中心转轴、量角器、支架、摆球、刻度盘和升降台组成，作为一个整体使用非常方便。按照本发明所提供的设计方案，该演示仪的摆球运动由原来的手动控制变为电动机控制，摆球的水平运动轨迹更接近标准圆，摆球的运动时间及运动的圈数也由人工测量转为计时器自动测量，实验误差大大减小，通过简单的角度和时间的测量就能快速准确地计算出结果，并能与传统的实验有机结合，更有利于实验探究教学的开展。本发明解决其技术问题所采用的方案主要有以下几点。

1、该演示仪中的电动机的转轴与中心转轴连接，且能控制中心转轴的转速。

2、该演示仪中的量角器与中心转轴固定连接为一体，且量角器及其表面的刻度关于中心转轴对称，竖直方向为零刻线，最大刻度为90度。

3、在该演示仪中，摆球与摆线相连，摆线又与指针相连，指针通过螺钉固定在量角器的零刻度处，当摆球运动时，能通过摆线带动指针绕螺钉自由转动。

4、该演示仪的遮光片与中心转轴固定连接，且关于中心转轴对称。

5、演示仪的中心转轴穿过翼形刻度盘的圆心，翼形刻度盘上的圆弧都是同心圆的圆弧，翼形刻度盘也关于中心转轴对称。

6、在中心转轴的下部有一同轴升降台，升降台的加长调节螺杆穿过支架，调节旋钮在支架外侧，用于调节翼形刻度盘的高度。

本发明的有益效果是：电动机的转速可调、稳定，比用手动控制规范；演示仪中的遮光片、量角器、摆球、摆线、指针、翼形刻度盘和升降台都关于中心转轴对称，能保证摆球运动平稳，摆球在水平面上的运动轨迹接近标准的圆周运动；用带光电门的计时器测量遮光片的遮光次数和总的遮光时间来测定摆球运动的角速度比用肉眼和秒表要准确；当摆球转动平稳时，可以直接通过量角器上的指针迅速读出摆线与初始位置的偏角，实验误差大大减小；利用翼形刻度盘可以直接读出圆弧的半径，重现教材提供的实验方法，引导学生进行比较探究实验，整个实验过程用时很短，简单易操作，学生参与性强。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的实验原理图。

图2是本发明的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种向心力演示仪，能用新的实验方案和传统的实验方法有机结合，快速并准确地测出向心力的大小，验证向心力的表达式。整个实验过程中只要利用量角器测出小球的摆角θ，用翼形刻度盘测出摆球的运动半径R，如图1所示，就能迅速得出实验结果。

本发明的结构示意图如图2所示，包括带调速开关的电动机（1）、计时器（2）、遮光片（3）、光电门（4）、中心转轴（5）、量角器（6）、支架（7）、指针（8）、摆线（9）、摆球（10）、翼形刻度盘（11）、升降台（12）、升降台调节螺杆（13）、升降台调节旋钮（14）、可调节支撑脚（15）。在该实施例中，首先，调节底部两个调节螺母，使摆线在静止状态下与量角器的零刻度线对齐，以便确定摆线的初始位置；同时打开计时器及光电门电路，在该实施例中，计时器使用的是FB213型数显计时计数毫秒仪，预置测量次数n次（可根据实验需要从1~99次任意设置）。

然后，从低档开始缓慢启动电动机，让摆球和整个中心转轴一起沿逆时针方向转动，逐渐加速；至转动平稳时，可观察到指针与初始位置的偏角几乎保持不变。在摆球和摆线转动平稳后，按计时器的“执行”键，计时器就开始计时，每计量一个周期，周期显示数值逐一递减，直到递减为“0”时，计时结束，计时器显示出累计n个周期的时间t，记录计时器设置的周期次数n和总的时间t。根据计时器记录的周期次数n和总的时间t计算出摆球运动的周期T，

再利用圆周运动公式计算出摆球的角速度ω，

缓慢调节升降台调节旋钮（14），使翼形刻度盘（11）接近但不接触摆球（10），从上方竖直向下观察运动的摆球（10）与翼形刻度盘（11）的哪个圆弧重合，标记下这个圆弧并记录下摆球的运动半径R，把摆球运动半径R和角速度ω代入向心力公式

就能快速计算出摆球所受的向心力F₁。

当小球旋转平稳后，直接读取并记录量角器上任一指针的偏角示数θ。根据力的合成知识，把偏角θ代入公式

就能快速计算出摆球所受的合力F₂。

重复几次上述的实验过程，比较每次的向心力F₁和合力F₂的大小，就能顺利得出实验结论。

因在实验过程中摆球的质量m保持不变，所以没有必要测出摆球的质量m的具体数值来，计算出的向心力F1和合力F₂都是含有摆球的质量m的表达式。在整个实验过程中只要测量并记录偏角θ、圆弧半径R和计时器的示数，无需进行其他测量。

Claims (6)

1.一种向心力演示仪，该演示仪主要由电动机、计时器、中心转轴、量角器、支架、指针、摆线、摆球、刻度盘和升降台组成，其特征在于该演示仪中的摆球与摆线相连，摆线又与指针相连，指针通过螺钉固定在量角器上，量角器与中心转轴固定连接，电动机的转轴与中心转轴连接，当电动机运转时，摆球能跟着量角器一起转动，且电动机能控制中心转轴的转速。

2.根据权利要求1所述的一种向心力演示仪，其特征在于该演示仪中的量角器与中心转轴固定连接为一体，且量角器及其表面的刻度关于中心转轴对称，竖直方向为零刻线，最大刻度为90度。

3.根据权利要求1所述的一种向心力演示仪，其特征在于在该演示仪中，摆球与摆线相连，摆线又与指针相连，指针通过螺钉固定在量角器的零刻度处，当摆球运动时，能通过摆线带动指针绕螺钉自由转动。

4.根据权利要求1所述的一种向心力演示仪，其特征在于该演示仪的遮光片与中心转轴固定连接，且关于中心转轴对称。

5.根据权利要求1所述的一种向心力演示仪，其特征在于演示仪的中心转轴穿过翼形刻度盘的圆心，翼形刻度盘上的圆弧都是同心圆的圆弧，翼形刻度盘也关于中心转轴对称。

6.根据权利要求1所述的一种向心力演示仪，其特征在于在中心转轴的下部有一同轴升降台，升降台的加长调节螺杆穿过支架，调节旋钮在支架外侧，用于调节翼形刻度盘的高度。