专利名称：多功能向心力测量转台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种多功能向心力测量转台，属于教学仪器技术领域，用于 “向心力的定量研究”和“倾斜弯道受力分析、滚桶脱水、柱形墙内的水平圆周运动”等典型圆周运动的模型教学。主要用于中学物理演示实验和分组实验教学，也可用于大学物理教学。
背景技术：
向心力是中学物理教学的重要内容。新旧教材和教育部2000年颁布的《中学理科教学仪器配备目录》中的各种向心力演示装置都存在“功能单一”和“难以定量研究”的不足。向心力定量研究的技术难点主要是转速和向心力的测量，现有专利技术中，比较可行的做法有以下两种(一)用变阻器控制电动机的方式实现横梁的勻速转动，用电磁或光电测速装置测量转速，用弹簧秤测量向心力。由于弹簧受力会伸长，此类装置的转动半径较难设定。( 二)用手动方式拨动横梁转动，用光电测速装置测量转速，用拉力传感器测量向心力。此类装置需要用到DIS实验系统，转速容易测量但不能预设，不利于探究，也很难普及。以上装置都采用横梁转动的方式，不利于附件的安装，所以功能单一。由于缺少简易直观的教学仪器，教学中老师灌输和学生死背公式的现象较为普遍；因此，有必要研制一个探究向心力及其它圆周运动规律的实验仪器，以弥补教材和实验配套的不足。
发明内容本实用新型针对现有技术的不足，提供一种结构简单、使用方便、精确直观的多功能向心力测量转盘。本实用新型可以预设圆周运动的角速度、转动半径和质量大小，并准确测量向心力的大小；也可用于“倾斜弯道受力分析、滚桶脱水、柱形墙内的圆周运动”等典型圆周运动的模型教学。为实现上述功能，本实用新型采用以下技术解决方案本实用新型多功能向心力测量转台有底座、同步电动机、变频调速电源、插头、三联开关、推力球轴承、圆形转盘、水准泡，其中推力球轴承、水准泡和同步电动机都安装在底座上，转盘中心安装在同步电动机转轴上，并且转盘水平地经推力球轴承安装在底座上，插头、变频调速电源、三联开关和同步电动机依次串联；还有支架、手提式数显电子秤、砝码、等臂直角杠杆、水平连杆、竖直连杆，其中等臂直角杠杆的底座安装在同步电动机转轴上并在转盘之上，有水平连杆和竖直连杆分别与直角杠杆的两端连接，水平连杆与砝码相连，竖直连杆通过钮环和电子秤相连，电子秤安装在支架上。与国内外同类设备相比，本实用新型采用变频电源驱动同步电动机的方式来实现勻速转动，调速和计速一步到位，无需电磁或光电测速装置；利用手持电子秤代替弹簧秤或拉力传感器，从而免去了 DIS实验系统；另外，本实用新型使用了推力球轴承，用转盘代替横梁，无需配重，使转动更为稳定，更具承载性，做到了一器多能。向心力定量研究时，事先把砝码固定在水平连杆上，预设好转动半径和变频电源的输出频率，依次按下电子秤的电源开关和调零按钮，然后按下三联开关使电动机转动，此时电子秤的示数乘以重力加速度就是向心力F。改变砝码质量、转动半径和电动机的转速可分别探究向心力F与m、r、ω的定量关系。本实用新型采用的同步电动的额定转速为300 转/分，即电源频率为50Hz时的转速为每分钟300转，根据同步电动机的转速与电源频率成正比的规律，能方便地折算出不同频率下的电动机转速。本实用新型应用控制变量法，实现了对向心力规律F = mrw2的全面定量探究，体现了以实验为基础的物理学科特点。所说转盘上与水平连杆平行地安装有附刻度尺的钢板条，所说转盘是透明的。本实用新型多功能向心力测量转台，还配有滚桶模型，所说滚桶模型有内桶和外桶，内桶上有脱水孔，内桶还配有经盒盖扣连接的盒盖，内外桶桶底中间有圆孔。滚桶模型用以在拆除连杆、支架和电子秤后安装到转盘上作滚桶脱水、柱形墙内的圆周运动等圆周运动演示。本实用新型多功能向心力测量转台，还配有弯道模型，所说弯道模型有倾斜弯道和水平弯道两层构成，弯道模型是圆盘状的，中间有安装孔。弯道模型用以在拆除连杆、支架和电子秤后安装到转盘上作倾斜弯道等圆周运动演示。所说转盘上打有5个小孔，滚桶模型和弯道模型底部有向下伸出的螺丝，螺丝位置与小孔位置对应，小孔中3个用于安装滚桶模型，2个用于安装弯道模型，摆放时螺丝只要穿过安装孔即可，无需用螺帽固定。本实用新型简洁直观、一器多用、稳定精确，值得推广。
图1是本实用新型用作向心力的定量研究时的结构示意图，图中1-底座，2-转盘 (透明有机玻璃)，3-砝码(带固定螺丝)，4-钢板条(附刻度尺)，5-水平连杆(钢丝)， 6-等臂直角杠杆底座，7-等臂直角杠杆，8-竖直连杆，9-手提式数显电子秤，10-钮环， 11-支架，12-推力球轴承，14-水准泡，15-插头，16-变频调速电源，17-三联开关，18-同步电动机；图2是本实用新型中滚桶模型的结构示意图，图中19-外桶(大号保鲜盒)， 20-盒盖扣，21-内桶(小号保鲜盒)，22_脱水孔，23-中间圆孔，24-螺丝(接转盘)；图3是本实用新型中弯道模型的结构示意图，图中25-倾斜弯道，26-安装孔， 27-螺丝(接转盘)，28-水平弯道。
具体实施方式
(一)向心力定量研究装置如图1所示，有一底座1，推力球轴承12、水准泡14和同步电动机18都安装在底座上，透明有机玻璃转盘2中心安装在同步电动机转轴上，并且转盘水平地经推力球轴承安装在底座上，插头15、变频调速电源16、三联开关17和同步电动机依次串联。有等臂直角杠杆7经底座6安装在同步电动机转轴上并在转盘之上，有水平连杆5和竖直连杆8 分别与直角杠杆的两端连接，水平连杆与砝码3相连，竖直连杆通过钮环10和手提式数显电子秤9相连，手提式数显电子秤安装在支架11上。所说转盘上打有5个小孔。1.研究向心力与角速度之间的关系实验时，接通电源，用螺丝刀将砝码固定在水平连杆的某个位置上，记录砝码的质量m和转动半径r，依次按下手提电子秤的电源开关和调零按钮，转动变频电源的调频旋钮把输出频率调到较低值，使然后按下三联开关使电动机转动，此时根据电子秤的示数计算出连杆的拉力大小(即向心力的大小F)。逐步调高变频器的输出频率，重复以上操作。记录每次实验中的向心力大小和电流频率，并折算出转盘的角速度本实用新型采用的同电动机在电源频率为f = 50Hz时的转速为每分钟300转或每秒钟5转，即角速度为10 π rad/s, 根据同步电动机的转速与电源频率成正比的规律，按比例计算出不同频率下的角速度ω。 分析实验数据可知，向心力F - ω2.2.研究向心力与半径之间的关系保持ω和m不变，先用螺丝刀将砝码固定在离转盘中心5cm的地方，测出向心力的大小。逐步增大转动半径，重复以上操作。记录每次实验中的向心力大小和转动半径，分析实验数据可知，向心力F α r。3.研究向心力与质量之间的关系保持ω和r不变，先用螺丝刀将质量较小的砝码固定在离转盘中心较远的某个地方，测出向心力的大小。更换质量较大的砝码，重复以上操作。记录每次实验向心力大小和砝码质量，分析实验数据可知，向心力F oc m。综上所述，向心力F - mrw2,且F = mrw2。注意，为了忽略砝码和钢板之间的摩擦力，实验中的r和ω要尽可能大，r 一般小于5cm，电流频率不低于20Hz。( 二 )滚桶脱水和柱形墙内的水平圆周运动装置是以滚桶模型安装到转盘上组成，滚桶模型如图2所示有内桶21和外桶19， 内桶上有脱水孔22，内桶还配有经盒盖扣20连接的盒盖，内外桶桶底中间有圆孔23，圆孔外有三枚向下伸出的螺丝24。在例(一)装置中拆除连杆、支架和电子秤后，将底上螺丝穿过转盘上小孔安装。1.演示滚桶脱水现象实验时，把滚桶模型放在转盘上。取一块涤纶材质的碎布，用红墨水浸湿，轻轻地揉成团状再放入内桶中。布团不能太湿，以免弄湿转盘。调节变频器的输出频至较高值，按下三联开关，使滚桶快速转动，红墨水从布团中甩出。1分钟后取出布团，用力拧布团，发现布团已被甩干，脱水成功。注意不要使用棉质碎布，棉布不易甩干。2.演示柱形墙内的水平圆周运动实验时，取一块4 5厘米长的深色木条，把它搁在盒盖扣和外桶的内壁之间。快速转动滚桶，木条在离心力的作用下，被甩到外桶的内壁上，并随滚桶一起做勻速圆周运动。此时木条共受三个力的作用重力、竖直向上的静摩擦力、滚桶壁的弹力；其中弹力提供向心力，且为产生摩擦力的条件；重力和摩擦力相互平衡，使木条不下滑。木条也可以用 “磁性玻璃擦”中的绒布块代替，只是绒布块是白色的，高速转动时的可视性不高，所以使用前要用粗红笔在上面画几条横向的线条即可。(三)弯道受力分析装置是以弯道模型安装到转盘上组成，弯道模型有倾斜弯道25和水平弯道28两层构成，弯道模型是圆盘状的，中间有安装孔26，安装孔外有三枚向下伸出的螺丝27。在例 (一)装置中拆除连杆、支架和电子秤后，将底下螺丝穿过转盘上小孔安装。1.模拟汽车转弯实验时，将弯道模型放在转盘上。将两辆玩具小车分别放在倾斜弯道和水平弯道上，两辆小车到转轴的水平距离相等。调节变频器频率至较低值，按下三联开关，两辆小车均随台做勻速圆周运动；略微调高转速，发现水平弯道上的小车被甩到转盘外面，而倾斜弯道上的小车仍随转盘勻速转动；继续调高转速，倾斜弯道上的小车也发生侧滑。在水平弯道上，小车所需的向心力只能由地面摩擦提供，所以容易发生离心现象； 在倾斜弯道上，小车所需的向心力可由重力和地面支持力的合力来提供，所以不易发生侧滑。2.模拟火车弯道限速实验时，取一块表面光滑的小钢柱，代表火车轮子。调节变频器频率至较低值，转盘缓慢转动，把小钢柱轻轻地放在弯道的中间部位，发现小钢柱随转盘勻速转动；调低频率，让转盘以更慢的速度转动，发现小钢柱逐渐下滑到轨道内侧；然后逐渐调高频率，发现小钢柱向外侧滑动，最后挤压弯道边缘；进一步提高转速，发现小钢柱被甩离弯道。这一现象说明火车过弯道时，车速较小时车轮会挤压内侧铁轨，车速较大时会挤压外侧铁轨；速度过小或过大时，则会发生脱轨现象。(四)法拉第电磁感应定律的定量探究把一块磁铁固定在转盘2边缘，在支架11上固定一个连接电流传感器的线圈。磁铁随转盘转动时会周期性的经过线圈，在线圈中产生感应电流，每出现半个波形的时间记作At，并求出此过程中的平均感应电流I。改变转速，记录每次实验的At和I。发现转速越大，线圈中的感应电流越大；相同转速时，匝数越多，圈中的感应电流也越大。把得到的若干组数据记入表格，以1/ Δ t为χ轴，平均感应电流I为y轴建立直角坐标系，进行描点分析，发现数据点呈线性分布；对数据点进行“线性拟合”，发现他们大致分布在一条过原点的直线上。所以在误差允许的范围内，当同一线圈来说，可以认为Δ Φ 一定时，感应电动势E与1/At成正比，即感应电动势与通过线圈的磁通量的变化率成正比，从而定量验证了法拉第电磁感应定律。本仪器还有很多辅助功能。比如，将若干硬币放置在转盘的不同位置，比较它们的受力情况，或比较它们发生离心运动的难易程度。再如，在转盘的边缘悬挂若干塑料单摆， 调节频率使转盘时快时慢地转动，即可模拟游乐园里的波浪飞椅了 ；悬挂单摆时可以事先在转盘的边缘打一些小孔，也可不钻孔，做法是先在摆绳上端打一个结，用101胶水把绳结粘在转盘上，不用时把凝固的胶水铲去即可。注意，转动速度不宜过快；另外，转盘的材质为有机玻璃，所以切不可使用AB胶，否则不易将凝固的胶水水从转盘上剥离。
权利要求1.一种多功能向心力测量转台，其特征是有底座、同步电动机、变频调速电源、插头、三联开关、推力球轴承、圆形转盘、水准泡，其中推力球轴承、水准泡和同步电动机都安装在底座上，转盘中心安装在同步电动机转轴上，并且转盘水平地经推力球轴承安装在底座上，插头、变频调速电源、三联开关和同步电动机依次串联；还有支架、手提式数显电子秤、砝码、等臂直角杠杆、水平连杆、竖直连杆，其中等臂直角杠杆的底座安装在同步电动机转轴上并在转盘之上，有水平连杆和竖直连杆分别与直角杠杆的两端连接，水平连杆与砝码相连，竖直连杆通过钮环和电子秤相连，电子秤安装在支1 O
2 如权利要求1所述的多功能向心力测量转台，其特征是还配有滚桶模型，所说滚桶模型有内桶和外桶，内桶上有脱水孔，内桶还配有经盒盖扣连接的盒盖，内外桶桶底中间有圆孔。
3.如权利要求1所述的多功能向心力测量转台，其特征是还配有弯道模型，所说弯道模型有倾斜弯道和水平弯道两层构成，弯道模型是圆盘状的，中间有安装孔。
4.如权利要求1或2或3所述的多功能向心力测量转台，其特征是所说转盘上打有5 个小孔，滚桶模型和弯道模型底部有向下伸出的螺丝，螺丝位置与小孔位置对应，小孔中3 个用于安装滚桶模型，2个用于安装弯道模型。
5.如权利要求1所述的多功能向心力测量转台，其特征是还有一块磁铁固定在转盘 [2]边缘，在支架[11]上固定一个连接电流传感器的线圈。
专利摘要本实用新型多功能向心力测量转台，有一底座1，同步电动机18安装在底座上，转盘2中心安装在同步电动机转轴上，并水平地经推力球轴承安装在底座上，有变频调速电源16和同步电动机连接。有等臂直角杠杆7经其底座6安装在同步电动机转轴上，有水平连杆5和竖直连杆8分别与直角杠杆的两端连接，水平连杆与砝码3相连，竖直连杆通过钮环10和手提式数显电子秤9相连，电子秤安装在支架11上。与现有技术相比，本实用新型采用变频电源驱动同步电动机的方式来实现匀速转动，调速和计速一步到位，无需电磁或光电测速装置；利用手持电子秤代替弹簧秤或拉力传感器，从而免去了DIS实验系统；用转盘代替横梁，无需配重，使转动更为稳定。
文档编号G09B23/10GK202013680SQ20102059836
公开日2011年10月19日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者徐忠岳 申请人:徐忠岳