CN213424339U - 向心力演示器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种向心力演示器，包括：底座；设置在底座上的驱动机构；与驱动机构的动力输出轴连接且在动力输出轴的带动下旋转的悬臂；安装在悬臂上且延伸方向与动力输出轴的轴线垂直的横杆，随悬臂同步旋转；具有不同质量的多个砝码；其中，所述横杆上设有沿其长度延伸方向间隔设置的多个第一卡槽，所述砝码上设有用于与第一卡槽卡接的第二卡槽。本实用新型的向心力演示器，结构简单，操作方便，能够验证不同质量砝码、不同圆周半径、不同角速度下的离心力，并可以直观观察离心力的大小和旋转的角速度。

Description

向心力演示器

技术领域

本实用新型涉及教学用具技术领域，尤其涉及一种向心力演示器。

背景技术

在学生学习物理的过程中，“向心力”是非常重要的知识点，在教学实践中，向心力表达式的理论推导过程对学生来说过于抽象、不易理解，因此教师常利用教学仪器进行现场演示以加深学生对向心力的理解。

现有的教学仪器大都是用圆锥摆或类似的装置进行向心力的粗略演示与验证，在演示过程中难以根据实验需求任意改变向心力实验中的涉及到参数的相关数值，使得实验范围有限，不便于调整和进行数据对比，难以得出有效的实验结果。

再有如中国专利号为CN204066528U的专利公开了一种离心力演示教具，该教具是利用电机带动一转盘转动，在转盘的边缘用弹簧悬挂一砝码，让砝码在竖直平面内匀速旋转，为了测量砝码做匀速圆周运动时离心力的大小，该教具是在转盘的后面安装一个带有刻度的同心圆盘来测量弹簧的伸长量进而测出离心力的大小。该教具虽然可以演示离心力，但存在以下缺点：一、教具只能定性演示离心力大小与旋转速度、与砝码质量大小的关系，不能演示离心力大小与旋转半径大小的关系；二、砝码是在竖直平面内旋转，砝码的重力对测量结果的影响比较大；三、旋转速度的快慢无法测量。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种向心力演示器，其结构简单，操作方便，能够验证不同质量砝码、不同圆周半径、不同角速度下的离心力，并可以直观观察离心力的大小和旋转的角速度。

为实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供一种向心力演示器，其包括：底座；设置在底座上的驱动机构；与驱动机构的动力输出轴连接且在动力输出轴的带动下旋转的悬臂；安装在悬臂上且延伸方向与动力输出轴的轴线垂直的横杆，随悬臂同步旋转；具有不同质量的多个砝码；其中，所述横杆上设有沿其长度延伸方向间隔设置的多个第一卡槽，所述砝码上设有用于与第一卡槽卡接的第二卡槽。

进一步的，还包括用于测量横杆旋转时的角速度的测速元件和用于显示角速度数值的角速度显示器。

进一步的，还包括用于测量砝码随横杆旋转时的向心力的测力元件和用于显示向心力数值的向心力显示器。

其中，所述驱动机构包括电机、与电机连接的皮带传动组件和用于调节电机速度的电机调速器。

其中，所述砝码呈柱形，所述第二卡槽由其外壁沿径向朝内延伸。

其中，所述砝码第二卡槽的宽度大于或等于所述横杆第一卡槽的宽度。

其中，所述横杆与悬臂连接的位置处于横杆长度方向的中心。

优选的，所述横杆上设置有用于标记不同位置处与其中心之间距离的刻度。

其中，所述横杆的位于其中心一侧的部分为设置有所述第一卡槽的测量段，位于其中心另一侧的部分为用于使横杆旋转时保持平衡的平衡段。

与现有技术相比，本实用新型的向心力演示器具有如下优点：

1、本实用新型的向心力演示器，结构简单，操作方便，能够验证不同质量砝码、不同圆周半径、不同角速度下的离心力，并可以直观观察离心力的大小和旋转的角速度。

2、本实用新型的向心力演示器，可以根据需要调整横杆旋转时的角速度，增加了实验范围，实验探究范围更大。

3、本实用新型的向心力演示器，具有向心力显示器和角速度显示器，从而采用数显形式显示实时实验数据，实验者方便记录实时实验数据，节省实验时间、增加实验效率。

4、本实用新型的向心力演示器，砝码与横杆通过卡槽卡接固定，在横杆水平旋转的过程中，通过卡槽连接的结构使砝码与横杆连接紧固，保证实验安全；并且，通过卡槽将砝码与横杆连接的结构方便调整砝码的质量以及位置，操作简单，节省实验时间。

5、本实用新型的向心力演示器，横杆由电机带动皮带传动组件驱动旋转，皮带传动组件传动更稳定平稳、保证安全。

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例向心力演示器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例砝码的结构示意图；

图3是本实用新型实施例砝码的左视图；

图4是本实用新型实施例演示器的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，为本实用新型提供的向心力演示器的结构示意图，由图1可知，本实用新型向心力演示器包括：底座1；设置在底座1上的驱动机构；与驱动机构的动力输出轴连接且在动力输出轴的带动下旋转的悬臂6；安装在悬臂6上且延伸方向与动力输出轴的轴线垂直的横杆7，随悬臂6同步旋转；具有不同质量的多个砝码10；其中，横杆7上设有沿其长度延伸方向间隔设置的多个第一卡槽8，砝码10上设有用于与第一卡槽8卡接的第二卡槽11。

具体的，本实用新型的向心力演示器通过底座1支撑，在底座1上安装有驱动机构(图中未示出)，该驱动机构包括电机、与电机连接的皮带传动组件和用于调节电机速度的电机调速器，通过电机调速器，可以根据实验需要电机的转速，从而达到调整横杆7旋转时的角速度的目的，进而增加实验范围，使得实验探究范围更大。而为确保使用安全，本实用新型将长方体形的机壳罩设于驱动机构外面，仅使驱动机构中皮带传动组件的动力输出轴竖直朝上外伸于机壳外。设计时，可以采用直流安全电压DC18V为电机供电，确保实验安全。

竖直向上外伸出机壳外的动力输出轴上固定安装有悬臂6，如图1所示，该悬臂6为U形钢制成，中心通过轴承安装在动力输出轴上，可随动力输出轴同步旋转。悬臂6的U形槽朝下安置、上表面为平面，在上表面上固定安装有L形连接座9。其长度延伸方向与悬臂6的长度延伸方向平行的横杆7穿设过连接座9并与连接座9固定连接，从而在动力输出轴旋转时，横杆7可同步旋转。

横杆7为长条形，与连接座9连接的位置处位于横杆7长度方向的中心，横杆7上设置有用于标记不同位置处与其中心之间距离的刻度，以便可以直观看出砝码在横杆上的旋转半径，且在横杆7上设置有沿其长度延伸方向间隔设置的多个第一卡槽8，以便通过第一卡槽8卡接固定砝码10。

横杆7包括测量段和平衡段，测量段上设置有第一卡槽，第一卡槽的开口开设于横杆7的上表面，测量段位于横杆7中心的一侧。而位于横杆7中心另一侧的部分为平衡段，通过平衡段使横杆旋转时左右可以保持平衡。设计时，在横杆7的平衡段上也可设置多个平衡卡槽，且平衡卡槽的开口开设于横杆的下表面，平衡卡槽、第一卡槽的位置分别相对横杆中心一一对称。

相应的，砝码10上设有用于与第一卡槽8卡接的第二卡槽11，如图2、图3所示，砝码10可采用呈柱形的结构，第二卡槽11由其外壁沿径向朝内延伸。为便于放置砝码10，砝码10第二卡槽11的宽度大于或等于横杆7第一卡槽8的宽度，而第二卡槽11和第一卡槽8的深度应合理设置，以便砝码在随横杆旋转时不会从第一卡槽8内脱出。

本实用新型的横杆与待测离心力的砝码通过第一、第二卡槽卡接固定，在横杆水平旋转的过程中，通过卡槽连接的结构使砝码与横杆连接紧固，保证实验安全。并且，通过卡槽将砝码与横杆连接的结构方便调整砝码的质量以及位置，操作简单，节省实验时间。而横杆由电机带动皮带传动组件驱动在水平面内旋转，皮带传动组件传动可使横杆及其上的砝码旋转更平稳，充分保证安全。

进一步的，为了可以实时显示实验时砝码或横杆旋转角速度的数值以及砝码的向心力，以便于操作者和学生直观观察，如图4所示，本实用新型的演示器还包括：用于测量电机(或悬臂或横杆或砝码)旋转时的角速度的测速元件和用于显示角速度数值的角速度显示器2；用于测量砝码随横杆旋转时的向心力的测力元件和用于显示向心力数值的向心力显示器3。

其中，测速元件12可以采用现有技术中用于测量旋转物体角速度的元件，如角速度传感器，安装时，可以将角速度传感器安装在驱动机构的动力输出轴上或电机的转轴上或者机壳其它合适位置。优选的，本实施例将角速度传感器安装在机壳上且位于动力输出轴一侧，其通过螺纹连接在机壳上，测量所得的角速度数值通过相应模块转换后可通过角速度显示器2显示出来。

而测力元件可以采用现有技术中的用于测量旋转物体离心力的元件，如离心力传感器或重力传感器，可安装在横杆中心位置处，以保证所测数值准确，而测量所得的离心力数值通过相应模块转换后可通过离心力显示器3显示出来。

设计时，横杆可由两个结构相同的半横杆构成，且两个半横杆通过连接杆(如螺杆)连接在一起形成完整横杆，而连接杆穿过连接座9的中心，且在连接杆上安装有重力传感器，通过重力传感器检测砝码旋转时的离心力。

或者，还可以在机壳内设置用于采集被测砝码的质量、旋转半径的采集模块以及计算模块，计算模块可以根据采集到的被测砝码的质量、旋转半径以及旋转角速度的信息，从而根据这些信息计算出离心力的数值，然后将数值通过离心力显示器3显示出来。

本实用新型的角速度显示器2、向心力显示器3均为数字显示的显示器，从而可以通过数显形式显示旋转角速度和离心力，方便实验者记录实时实验数据，节省实验时间、增加实验效率。

此外，本实用新型的向心力演示器还包括设置在机壳前面板上的用于角速度调节的调速旋钮4，其转速调整范围为0.900-2.000rad/s，采用线性多圈可调形式，转速可精准固定在调整范围内的任意一点，从而无限增加了实验范围，实验探究范围更大。另外，还包括设置在前面板上的电源旋转开关5。

下面，以三个砝码为例，对本实用新型向心力演示器的结构与原理进行说明。其中，采用各元件如下：

调速旋钮：正时针调节转速增加，逆时针调节转速减少。

旋转开关：“1”位置开始旋转，“0”位置停止旋转

悬臂：旋转开关打开时开始旋转。

电子离心力显示器：0.00N-6.00N，误差+0.02N.

电子测速表：0.900-2.000rad/s,误差+0.010rad/s.

横杆：从中心朝一侧分别设置间距为5cm、10cm、15cm的第一卡槽以与砝码吻合，从中心朝另一侧分别设置开口向下的槽以起平衡作用。

砝码：质量为50g，100g，150g各一个。

通过改变砝码质量、圆周半径、角速度、分别验证向心力大小并通过向心力显示器显示向心力：

1、把悬臂手动旋转到演示器一侧，把“50g”砝码的第二卡槽平稳的放入横杆“5cm”位置处(即此时砝码的旋转半径为5cm，以下类似)的第一卡槽内，待离心力显示器显示平稳，持续按住3秒离心力显示器清零键使离心力显示器显示归零。打开旋转开关，正时针调节调速旋钮使角速度显示器显示‘1.0’，电机开始转动，离心力显示器显示向心力(N)，待角速度显示器显示平稳，把测得数值记录到相应表格内，关闭旋转开关。

2、把“50g”砝码平稳的放入横杆标示“10cm”处的第一卡槽内，待离心力显示器显示平稳，持续按住3秒离心力显示器清零键使离心力显示器显示归零。打开旋转开关，电机开始转动，离心力显示器显示向心力(N)，待角速度显示器显示平稳，把离心力显示器数值记录到相应表格内，关闭旋转开关。

3、把“50g”砝码平稳的放入横杆标示“15cm”处的第二卡槽内，待离心力显示器显示平稳，持续按住3秒离心力显示器清零键使离心力显示器显示归零。打开旋转开关，电机开始转动，离心力显示器显示向心力(N)，待角速度显示器显示平稳，把离心力显示器数值记录到相应表格内，关闭旋转开关。

4、分别把‘100g’和‘150g’砝码平稳的放入横杆标示‘5cm’处的第一卡槽内，角速度为‘1.0’重复上述同样的操作步骤并分别记录：质量为‘100g’和‘150g’、圆周半径分别为‘5cm’、‘10cm’和‘15cm’时的离心力显示器上显示的数值记录到相应表格内。

5、把悬臂手动旋转到演示器一侧，把“50g”砝码平稳的放入横杆标示“5cm”处的第一卡槽内，待离心力显示器显示平稳，持续按住3秒离心力显示器清零键使离心力显示器显示归零。打开旋转开关，正时针调节旋钮使角速度电子测速表显示‘1.5’，电机开始转动，离心力显示器显示向心力(N)，待角速度显示器显示平稳，把离心力显示器数值记录到相应表格内，关闭旋转开关,重复上述同样的操作步骤,把记录数值记录到相应表格内。

6、把悬臂手动旋转到演示器一侧，把“50g”砝码平稳的放入横杆标示“5cm”处的第一卡槽内，待离心力显示器显示平稳，持续按住3秒离心力显示器清零键使离心力显示器显示归零。打开旋转开关，正时针调节旋钮使角速度旋转表显示‘2.0’，电机开始转动，离心力显示器显示向心力(N)，待角速度显示器显示平稳，把离心力显示器数值记录到相应表格内，关闭旋转开关,重复同样的操作步骤,把记录数值记录到相应表格内。

本实用新型的向心力演示器，通过“转速比”、“向心力比”、“质量比”、“半径比”演示实验可以归纳出向心力公式，也可验证向心力公式，并探究向心力大小的影响因素。向心力公式如下：

F_向＝m rω²

其中：

m:砝码质量，r:旋转半径，ω：角速度。

综上所述，本实用新型的向心力演示器具有如下优点：

1、本实用新型的向心力演示器，结构简单，操作方便，能够验证不同质量砝码、不同圆周半径、不同角速度下的离心力，并可以直观观察离心力的大小和旋转的角速度。

2、本实用新型的向心力演示器，可以根据需要调整横杆旋转时的角速度，增加了实验范围，实验探究范围更大。

3、本实用新型的向心力演示器，具有向心力显示器和角速度显示器，从而采用数显形式显示实时实验数据，实验者方便记录实时实验数据，节省实验时间、增加实验效率。

4、本实用新型的向心力演示器，砝码与横杆通过卡槽卡接固定，在横杆水平旋转的过程中，通过卡槽连接的结构使砝码与横杆连接紧固，保证实验安全；并且，通过卡槽将砝码与横杆连接的结构方便调整砝码的质量以及位置，操作简单，节省实验时间。

5、本实用新型的向心力演示器，横杆由电机带动皮带传动组件驱动旋转，皮带传动组件传动更稳定平稳、保证安全。

尽管上文对本实用新型作了详细说明，但本实用新型不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本实用新型的原理进行修改，因此，凡按照本实用新型的原理进行的各种修改都应当理解为落入本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种向心力演示器，其特征在于，包括：

底座；

设置在底座上的驱动机构；

与驱动机构的动力输出轴连接且在动力输出轴的带动下旋转的悬臂；

安装在悬臂上且延伸方向与动力输出轴的轴线垂直的横杆，随悬臂同步旋转；

具有不同质量的多个砝码；

其中，所述横杆上设有沿其长度延伸方向间隔设置的多个第一卡槽，所述砝码上设有用于与第一卡槽卡接的第二卡槽。

2.根据权利要求1所述的向心力演示器，其特征在于，还包括用于测量横杆旋转时的角速度的测速元件和用于显示角速度数值的角速度显示器。

3.根据权利要求2所述的向心力演示器，其特征在于，还包括用于测量砝码随横杆旋转时的向心力的测力元件和用于显示向心力数值的向心力显示器。

4.根据权利要求1所述的向心力演示器，其特征在于，所述驱动机构包括电机、与电机连接的皮带传动组件和用于调节电机速度的电机调速器。

5.根据权利要求1所述的向心力演示器，其特征在于，所述砝码呈柱形，所述第二卡槽由其外壁沿径向朝内延伸。

6.根据权利要求2所述的向心力演示器，其特征在于，所述砝码第二卡槽的宽度大于或等于所述横杆第一卡槽的宽度。

7.根据权利要求1所述的向心力演示器，其特征在于，所述横杆与悬臂连接的位置处于横杆长度方向的中心。

8.根据权利要求7所述的向心力演示器，其特征在于，所述横杆上设置有用于标记不同位置处与其中心之间距离的刻度。

9.根据权利要求8所述的向心力演示器，其特征在于，所述横杆的位于其中心一侧的部分为设置有所述第一卡槽的测量段，位于其中心另一侧的部分为用于使横杆旋转时保持平衡的平衡段。

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