CN209471621U - 一种向心力演示仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种向心力演示仪，包括圆盘，圆盘的圆心正上方设置有弹簧测力计，弹簧测力计的自由端连接有引线的一端，引线的另一端连接有一实心球，弹簧测力计的自由端与引线周向转动连接；圆盘上面固定有一水平导向装置，水平导向装置的轴线穿过圆盘的圆心；实心球设置在水平导向装置中且能沿着水平导向装置的轴线移动，水平导向装置中设有定滑轮，引线绕过定滑轮改变方向；圆盘连接有电机以及圆周方向设置有计时装置；圆盘的上表面设置有若干弹性杆，弹性杆自由端连接有球体，本实用新型能直观、形象地实现定性分析、定量测量向心力，展示匀速圆周运动的规律；符合普通高中生普遍的认识水平；中学生能自己动手操作，其误差在5％～7％之间。

Description

一种向心力演示仪

技术领域

本实用新型属于物理教学实验领域，具体涉及一种向心力演示仪。

背景技术

向心力是人教版高中物理必修二第五章第六节的内容，这一节提到了向心力的表达式：F＝mω²r＝mv²/r,其中：F是物体所受向心力的大小，m是物体的质量，ω是物体做匀速圆周运动的角速度，v是物体做匀速圆周运动的线速度，r是匀速圆周运动的半径,教科书上提到的验证这一公式的实验是：固定的引线下面悬挂着一个钢球(质量为m)，设法让钢球沿纸上某个圆周运动，同时在一旁用秒表记录运动一周所用时间t(ω＝2π/t)，之后测量钢球做匀速圆周运动的半径r，将这些数值代入公式即可算得向心力F。再从另一方面算出F：物体做匀速圆周运动时所受合外力即是它的向心力，于是有：F＝mgtanθ(θ是引线与竖直方向的夹角)。通过比较这两种方法得到的F，可以验证向心力的表达式F＝mω²r＝mv²/r。虽然这个实验设计起来很简单，但是实践起来并不像设计的那般容易，最大的问题是，如何做到让钢球只在绳的拉力作用下在纸上沿某个圆做匀速圆周运动，动手实践起来难以做到。

现在市面上有用某仪器公司生产的实验仪器做此验证实验的，虽然能够比较准确地验证向心力的表达F＝mω²r＝mv²/r，但是不太适合让高中学生自己动手做，原因是该实验过程太依赖于传感器、计算机这些电子设备，它们就像一个黑匣子，学生即使不太能理解整个实验的原理而实验就完成了；所以目前急需一个仪器来形象地展示向心运动，并验证向心力，它必须操作简单、易实现，还能够让学生比较容易掌握其中的原理，对向心力的验证知其然，也知其所以然。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种向心力演示仪，定性、定量地验证向心力的表达式，是一种符合高中生认知水平的演示及验证装置。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种向心力演示仪，包括圆盘，圆盘的圆心正上方设置有弹簧测力计，弹簧测力计的自由端连接有引线的一端，引线的另一端连接有一实心球，弹簧测力计的自由端与引线周向转动连接；圆盘上面固定有一水平导向装置，水平导向装置的轴线穿过圆盘的圆心；实心球设置在水平导向装置中且能沿着水平导向装置的轴线移动，水平导向装置中设置有一定滑轮，引线绕过定滑轮从竖直方向变为水平方向；圆盘还连接有电机，圆盘的圆周方向还设置有计时装置；

圆盘的上表面设置有若干弹性杆，弹性杆的一端与圆盘固定连接，另一端连接有球体。

电机为可调速电机。

水平导向装置为有机玻璃管，有机玻璃管的内径大于实心球的直径。

圆盘的下方还设置有若干滚轮，滚轮的一周设置有减振层。

还包括一底部设置有底座的支架，滚轮固定在底座上，滚轮沿圆盘的圆周方向均匀设置，电机固定在底座上。

弹性杆的数量为偶数，且弹性杆的位置关于圆盘的圆心对称。

球体的颜色均不相同。

弹簧测力计的自由端与引线的接头之间设置旋转吊钩实现周向旋转连接。

引线在旋转吊钩的吊钩上缠绕数圈。

计时装置包括挡光片、光电门以及数字计时器，挡光片固定在圆盘的边缘，挡光片的运动路径经过光电门，光电门连接数字计时器。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型能直观、形象地展示匀速圆周运动及向心力的规律；其原理简单，符合普通高中生普遍的认识水平；操作简单、易于老师演示以及中学生自己动手操作，其误差在5％～7％之间；能实现定性分析、定量测量向心力，揭示向心运动的本质；因为不可避免的摩擦力因素的存在，会给实验带来误差，适合于学生做自主探究性实验，提高其分析问题和解决问题的能力。

进一步的，圆盘下表面沿圆周方向设置滚轮，滚轮表面设置有减振层，滚轮为有机玻璃圆盘提供稳定支撑，而且减振层避免旋转过程中产生噪音。

进一步的，可调速电机实现不同的转速，直观的体现出不同转速下不同的向心力。

进一步的，滚轮以及电机均固定在底座上，使得本装置更加稳定。

进一步的，弹簧测力计的自由端与引线接头之间设置旋转吊钩，实现弹簧测力计与引线可转动连接，旋转吊钩容易买到成品，方便连接。

进一步的，引线在旋转吊钩上缠绕数圈，增强引线与旋转吊钩之间的紧固力，降低引线旋转的可能性。

进一步的，计时装置采用挡光片、光电门以及数字计时器，实现自动化记录旋转周期，数据记录更加准确快捷。

附图说明

图1为本实用新型正视示意图。

图2为本实用新型的侧视示意图。

其中：1-球体，2-弹性杆，3-实心球，4-定滑轮，5-水平导向装置，6-引线，7-旋转吊钩，8-弹簧测力计，9-电机，10-圆盘，11-滚轮，12-支撑柱，13-挡光片，14-光电门，15-数字计时器，16-支架。

具体实施方式

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种向心力演示仪，包括圆盘10，圆盘10的圆心正上方设置有弹簧测力计8，弹簧测力计8的自由端连接有引线6的一端，弹簧测力计8的自由端与引线6周向转动连接；引线6的另一端连接有一实心球3；圆盘10上面固定有一水平导向装置5，水平导向装置5的轴线穿过圆盘10的圆心；实心球3设置在水平导向装置5中且能沿着水平导向装置5的轴线移动，水平导向装置5中设置有一定滑轮4，引线6绕过定滑轮4从竖直方向变为水平方向；圆盘10还连接有电机9，圆盘10的圆周方向还设置有计时装置；圆盘10的上表面设置有若干弹性杆2，弹性杆2的一端与圆盘10固定连接，另一端连接有球体1。

四根完全一样的粘有球体1的弹性杆2，球体1大小以及材质相同，颜色均不相同，球体1和弹性杆2是验证定性验证向心力的表达式F＝mω²r＝mv²/r时的观察对象：当电机9带动圆盘10做圆周运动时，弹性杆2的形状会随着圆盘的转速v的变化而变化，而且弹性杆2做圆周运动的半径不同，受到的向心力大小就不同；用拍照相机拍出弹性杆2瞬时的形变，通过比较照片中弹性杆2的弯曲程度来判断小球所受弹力的大小，从而定性验证球体1所受的向心力F和它做圆周运动的角速度ω以及做圆周运动的半径r之间的关系F＝mω²r＝mv²/r。

本实用新型优选的，水平导向装置5采用有机玻璃管，有机玻璃圆盘透明便于观察而且容易开孔，水平导向装置5的管壁上设置有彩色刻度线。

圆盘10上表面还固定连接有弹性杆2，弹性杆2的顶端设置有不同颜色的球体1，水平导向装置5内安装系引线6的实心球3，实心球3的质量为m，实心球3为玻璃球或金属球；水平导向装置5的上悬空设置一个定滑轮4，沿着水平导向装置5横向设置滑轮轴，定滑轮4安装在滑轮轴上；引线6绕过定滑轮4，从水平导向装置5的顶端伸出；圆盘10下表面沿圆周方向设置有滚轮11，滚轮11表面设置有减振层，滚轮11固定在支撑柱12上，支撑柱12与底座固定连接；圆盘10的正上方固定有弹簧测力计8，弹簧测力计8的自由端连接引线6，弹簧测力计8的自由端连接有旋转吊钩7，旋转吊钩7的吊环连接弹簧测力计8的自由端，旋转吊钩7的吊钩连接引线6。

作为本实用新型的一个优选实施例，将圆盘10的下方设置有若干支撑滑轮，支撑滑轮的表面设置有减振层，减振层采用保留光滑层的双面胶，能有效减小支撑滑轮与圆盘的摩擦力和噪音；减振层容易形变，使圆盘10和支撑滑轮之间更加贴合，减小圆盘10和定滑轮之间的碰撞，增加圆盘10的稳定性和减少其噪音。

有机玻璃圆盘的正上方30cm～40cm处固定一个弹簧测力计8，弹簧测力计8的劲度系数K＝62.5N/cm，弹簧测力计8与从水平导向装置5的正上方出来的引线6相连；为防止引线6在下面的圆盘10旋转的时候拧成一股而产生收缩位移，引线6选择刚性较大尼龙绳；在弹簧测力计的下端接一个旋转吊钩7，引线6旋转时该旋转吊钩7可以释放扭力，不受弹簧测力,8的限制，而且也不会带动弹簧测力计8，增大引线6和旋转吊钩7的接触面积：在钥匙扣环的中间多缠绕几圈引线，这样更容易带动旋转吊钩7和引线6一起同轴旋转，而且弹簧测力计不容易晃动。弹簧测力计不仅仅只显示提供给实心球3的拉力，它还可以测量实心球3做圆周运动时半径的改变量ΔX；引线6采用尼龙绳不易发生形变，实心球3做匀速圆周运动半径的增量就等于弹簧测力计8的伸长量ΔX。首先测出在引线6拉直、弹簧测力计8为原长时实心球3距水平导向装置5中心距离X₀，之后实心球3做匀速圆周运动的半径r就是X₀+ΔX；从弹簧测力计8上能得到实心球3做匀速圆周运动时的半径r，本实用新型优选的弹簧测力计8上设置有用于读取弹簧伸长量的标记。

计时装置包括挡光片13、光电门14和数字计时器15，挡光片13设置在水平导向装置5的一端，在支架16上固定光电门14，光电门14设置在挡光片13运动路径上；光电门14连接计数器，水平导向装置5旋转起来的时候挡光片13能遮住光电门14中的光敏管，将光电门14和数字计时器15连接，通过数字计时器15读出旋转装置旋转的周期T。

采用本实用新型通过以下步骤实现向心力沿着实验：

定性部分：

a.调好电机9，观察处在不同半径位置上的弹性杆2的弯曲程度，并用数码相机拍照；

b.增大电机9的转速，观察在不同转速下，距离圆盘中心不同位置处弹性杆2的弯曲程度，分析半径与向心力的关系；

c.用计算机对图像进行处理，得出球体的受力分析图。

定量部分：

I.检测实心球3的球心距水平导向装置5中心的原长X₀并记录；

II.连接好测量周期装置的电路，调节电机9的转速，等待圆盘10旋转稳定；

III.待圆盘10稳定后，打开数字计时器15，记录周期T，同时读出弹簧测力计8力F的读数及实心球3的运动半径r，计算ΔX；

IV.将X₀、T、F、ΔX的数值代入公式中，验证公式，分析误差。

本实用新型的使用过程如下：

旋转装置包括开设有不同孔径的圆盘10，圆盘10的直径为50cm，固定在圆盘10下表面正中央可调转速的电机9，电机9的转速最大200rad/min、固定在有机玻璃圆盘上表面的水平导向装置5，水平导向装置5选择有机玻璃管时，其直径为50mm，在水平导向装置5的中央悬空固定一个定滑轮4，有机玻璃管的管壁上沿水平方向开设有用于安装定滑轮轴的孔，圆盘10的上表面两两对称地设置有四根弹性杆2，弹性杆2的一端固定在圆盘10上，另一端设置有球体1，球体1的颜色不同，便于观察；水平导向装置5内设置有质量为m的实心球3，实心球3连接引线6，从水平导向装置5的顶部中心的孔中伸出，引线6绕过定滑轮4，减小了引线6与水平导向装置5之间的摩擦力；在有机玻璃圆盘下表面设置有可以360°自由滚动的滚轮11，滚轮11表面设置有硬硅胶缓冲层，使圆盘10旋转稳定。

Claims (10)

1.一种向心力演示仪，其特征在于，包括圆盘(10)，圆盘(10)的圆心正上方设置有弹簧测力计(8)，弹簧测力计(8)的自由端连接有引线(6)的一端，引线(6)的另一端连接有一实心球(3)，弹簧测力计(8)的自由端与引线(6)周向转动连接；圆盘(10)上面固定有一水平导向装置(5)，水平导向装置(5)的轴线穿过圆盘(10)的圆心；实心球(3)设置在水平导向装置(5)中且能沿着水平导向装置(5)的轴线移动，水平导向装置(5)中设置有一定滑轮(4)，引线(6)绕过定滑轮(4)从竖直方向变为水平方向；圆盘(10)还连接有电机(9)，圆盘(10)的圆周方向还设置有计时装置；

圆盘(10)的上表面设置有若干弹性杆(2)，弹性杆(2)的一端与圆盘(10)固定连接，另一端连接有球体(1)。

2.根据权利要求1所述的向心力演示仪，其特征在于，电机(9)为可调速电机。

3.根据权利要求1所述的向心力演示仪，其特征在于，水平导向装置(5)为有机玻璃管，有机玻璃管的内径大于实心球(3)的直径。

4.根据权利要求1所述的向心力演示仪，其特征在于，圆盘(10)的下方还设置有若干滚轮(11)，滚轮(11)的一周设置有减振层。

5.根据权利要求4所述的向心力演示仪，其特征在于，还包括一底部设置有底座的支架(16)，滚轮(11)固定在底座上，滚轮(11)沿圆盘(10)的圆周方向均匀设置，电机(9)固定在底座上。

6.根据权利要求1所述的向心力演示仪，其特征在于，弹性杆(2)的数量为偶数，且弹性杆(2)的位置关于圆盘(10)的圆心对称。

7.根据权利要求1所述的向心力演示仪，其特征在于，球体(1)的颜色均不相同。

8.根据权利要求1所述的向心力演示仪，其特征在于，弹簧测力计(8)的自由端与引线(6)的接头之间设置旋转吊钩(7)实现周向旋转连接。

9.根据权利要求8所述的向心力演示仪，其特征在于，引线(6)在旋转吊钩(7)的吊钩上缠绕数圈。

10.根据权利要求1所述的向心力演示仪，其特征在于，计时装置包括挡光片(13)、光电门(14)以及数字计时器(15)，挡光片(13)固定在圆盘(10)的边缘，挡光片(13)的运动路径经过光电门(14)，光电门(14)连接数字计时器(15)。