一种新型向心力定量比较与演示实验仪的制作方法

本发明专利涉及实验仪，尤其涉及一种新型向心力定量比较与演示实验仪。

背景技术：

向心力是高中物理和大学物理学力学部分的一个重要概念，向心力的大小与物体的质量、物体到转轴的距离以及转动周期(或角速度)都有关系，为了验证向心力与这些量大小之关系，目前市场上与大、中学物理实验室演示向心力大小与质量、半径及周期(角速度)之间关系的实验仪，几乎均为手摇式双转轴方式进行演示的实验仪器。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构合理，实验效果好的新型向心力定量比较与演示实验仪。

为实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：

新型向心力定量比较与演示实验仪，包括箱体和转动部分；

箱体包括电机固定箱和电机；转动部分包括标尺横向转动杆、大半径转动连杆支撑杆、大半径转动连杆、大半径转动连杆承载球座、大小半径转动连杆横向连接杆、小半径转动连杆支撑杆、小半径转动连杆、小半径转动连杆承载球座、拉力杆、竖直空心标尺立柱、滑动套管、拉力杆移动横向转动轴滑槽、弹簧、标尺横向转动杆锁紧螺圈、标尺横向转动杆底垫固定圈和拉力杆移动滑槽；

电机固定在电机固定箱内，标尺横向转动杆底垫固定圈固定在电机转动轴下部；标尺横向转动杆套在电机转动轴上，位于标尺横向转动杆底垫固定圈上部；竖直空心标尺立柱套在电机转动轴上，位于标尺横向转动上部；竖直空心标尺立柱固定端与标尺横向转动杆接触处吻合，采用标尺横向转动杆锁紧螺圈使标尺横向转动杆与竖直空心标尺立柱一同锁紧成为一体；大半径转动连杆支撑杆和小半径转动连杆支撑杆依次设于标尺横向转动杆上；

大半径转动连杆的转动轴移动滑槽安装在大半径转动连杆支撑杆的大半径转动连杆转动轴上；小半径转动连杆与拉力杆的小半径转动连杆转动移动滑槽安装在小半径转动连杆支撑杆的小半径转动连杆与拉力杆间移动转动轴上；

大小半径转动连杆横向连接杆两端分别连接在大半径转动连杆的大半径转动连杆与大小半径转动连杆横向连杆连接转动轴上，及小半径转动连杆的小半径转动连杆与大小半径转动连杆横向连杆连接转动轴上；

滑动套管与弹簧连接体从弹簧下端套至竖直空心标尺立柱上，并与标尺横向转动杆采用标尺横向转动杆锁紧螺圈锁紧，滑动套管下端设有拉力杆端伸进口，拉力杆端伸进口与竖直空心标尺立柱的拉力杆移动滑槽对应；拉力杆一端的拉力杆端点设于滑动套管口内竖直空心标尺立柱的拉力杆移动滑槽内。

作为优选：所述箱体上端面设有水平泡，箱体侧面设有抽屉，箱体底部设有可调节支撑腿。

作为优选：所述箱体内还设有电控箱，电控箱与电机连接。

本发明的有益效果是：采用电机带动转轴，采用电控箱控制转速(角速度)，转动物体质量可以采用不同质量的大小球，球体转动半径可以通过放球位置到转轴的距离(转动半径)不同来控制，不同情况下演示向心力大小可以通过竖直方向套筒下移距离(不同颜色环或刻度)显示出来。有利于弥补大、中学目前物理实验室仍然缺乏这样一种定量比较与演示向心力大小与相关量之关系实验装置。

附图说明

图1是本发明正视图；

图2是本发明匀速圆周运动转动系统末状态1图；

图3是本发明匀速圆周运动转动系统末状态2图；

图4是本发明大半径转动连杆结构正视图；

图5是本发明小半径转动连杆与拉力连杆结构正视图；

图6是本发明竖直空心滑动标尺立柱正视图；

图7是本发明滑动套筒与弹簧整体正视图；

图8是本发明滑动套筒与弹簧整体侧视图；

图9是本发明大小半径转动连杆、连杆转动轴、拉力杆、竖直标尺立柱、滑动套管、弹簧、承载小球座以及大小半径转动连杆支撑杆底座与底座固定螺丝等侧视图；

图10是本发明实验用大小两种球体正视图；

图11是本发明实验仪箱体、标尺转动横杆、大小半径转动杆支撑架、大小半径转动连杆与拉力杆、大小半径转动连杆承载球座、竖直空心标尺立柱、滑动套管与弹簧等俯视图；

图12是本发明电机控制箱立体图；

图13是本发明仪器底座调平支撑腿正视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

如图1所示，为向心力定量比较与演示实验仪正视图。1、电机固定箱，1-0、电机固定箱调平支撑腿，1-1、箱体表面，1-2、水平泡，(如图11所示)，2、电控箱，3、电机，3-1、电机供电传输线，4、实验仪修配件存放抽屉，5、标尺转动横杆，6、大半径转动连杆支撑杆，6-0、大半径转动连杆支撑杆固定座，7、大半径转动连杆，7-0、大半径转动连杆转动轴，7-1、大半径转动连杆与大小半径转动连杆横向连杆连接转动轴，7-2、大半径转动连杆转动轴移动滑槽，7-3、大半径转动连杆承载球座，8、大小半径转动连杆横向连杆，9、小半径转动连杆支撑杆，9-0、小半径转动连杆支撑杆固定座，10、小半径转动连杆，10-0、小半径转动连杆与拉力杆共同移动转动轴，10-1、小半径转动连杆与大小半径转动连杆横向连杆连接转动轴，10-2小半径转动连杆与拉力杆共同转动轴移动滑槽，11、小半径转动连杆承载球座，12、拉力杆，12-1、拉力杆端点，12-2、拉力杆端点竖直移动转动轴(如图9所示)，13、竖直空心标尺立柱，13-1、毫米刻度尺(如图6所示)，13-2、竖直空心标尺立柱固定端(如图6所示)，14、滑动套管，14-0、滑动套管固定拉力杆竖直移动横向转动轴孔，14-1、拉力杆端伸进口(如图8所示)，15、拉力杆移动横向转动轴滑槽，16、弹簧，17、标尺横向转动杆、竖直空心标尺立柱与弹簧锁紧螺圈，18、标尺横向转动杆底垫固定圈；

如图(9)所示，为大小半径转动连杆、连杆转动轴、拉力杆、竖直标尺立柱、滑动套管、弹簧、承载小球座以及大小半径转动连杆支撑杆底座与底座固定螺丝等侧视图。5、标尺转动横杆，5-1、标尺转动横杆截面图，6-0、大半径转动连杆支撑杆固定座，7、大半径转动连杆，7-0、大半径转动连杆转动轴，7-1、大半径转动连杆与大小半径转动连杆横向连杆连接转动轴，8、大小半径转动连杆横向连接杆，9-0、小半径转动连杆支撑杆底座，9-0、大小半径转动连杆支撑杆底座固定螺丝，10、小半径转动连杆，10-0、小半径转动连杆与拉力杆间移动转动轴，10-1、小半径转动连杆与大小半径转动连杆横向连杆连接转动轴，12、拉力杆，12-1、拉力杆端点，12-2、拉力杆端点竖直移动横向转动轴，13、竖直标尺立柱，14、滑动套管，16、弹簧，17、标尺横向转动杆锁紧螺圈，19、拉力杆末端移动滑槽。

如图(12)所示，为电机控制箱立体图。2-1、开关，2-2、指示灯，2-3、设置电机转动周数旋钮，2-4、开始与结束按钮，2-5、显示电机转动周数显示屏，2-6、显示周数总时间，2-7、电机加速与减速旋钮；

本实施例的新型向心力定量比较与演示实验仪分为实验仪控制箱2、箱体(固定电机3的铁箱子)与转动部分(电机转轴以上部分)，箱体由电机固定箱1、电机3与抽屉4组成，电机固定箱1用来固定电机3，实验仪控制箱2安装在箱体(固定电机3的箱子内)中，标尺横向转动杆底垫固定圈18固定在电机3转动轴下部，标尺转动横杆5套在电机3转动轴上，位于标尺横向转动杆底垫固定圈18上部，竖直空心标尺立柱13套在电机3转动轴上，位于标尺转动杆5上部，使竖直空心标尺立柱固定端13-2与标尺转动横杆5接触处吻合，采用标尺横向转动杆锁紧螺圈17将标尺转动横杆5与竖直空心标尺立柱13一同锁紧成为一体；将大半径转动连杆支撑杆6、小半径转动连杆支撑杆9依次安装在标尺转动横杆5相应位置，大半径转动连杆7的转动轴移动滑槽7-2安装在大半径转动连杆支撑杆6的转动轴7-0上，小半径转动连杆10与拉力杆12的小半径转动连杆转动移动滑槽10-2安装在小半径转动连杆支撑杆9的转动轴10-0上，将大、小半径转动连杆横向连接杆8两端分别连接在大半径转动连杆7的大半径转动连杆与大小半径转动连杆横向连杆连接转动轴7-1上，及小半径转动连杆10的小半径转动连杆与大小半径转动连杆横向连杆连接转动轴10-1上；同时，将滑动套管14与弹簧16连接体从弹簧16下端17处套至竖直空心标尺立柱13上，并转动滑动套管14与弹簧16整体，使之转动滑动套管14的滑动套管固定竖直移动转动轴孔14-0与竖直空心标尺立柱13的拉力杆移动横向转动轴滑槽15，以及转动滑动套管14的拉力杆端伸进口14-1与竖直空心标尺立柱13的拉力杆末端移动滑槽19对应；将拉力杆12一端的拉力杆端点12-1伸进滑动套管口14内、竖直空心标尺立柱13的拉力杆移动滑槽19内，再将拉力杆端点竖直移动转动轴12-2依次穿过滑动套管14侧孔14-0、竖直空心标尺立柱13的滑槽15、拉力杆12一端的拉力杆端点12-1孔至竖直空心标尺立柱13另一边滑槽15、滑动套管14另端孔14-0，并在滑动套管14两端孔14-0外的拉力杆端点竖直移动转动轴12-2上用螺丝拧紧。安装过程中需要不断微调大半径转动连杆支撑杆6与小半径转动连杆支撑杆9之间及小半径转动连杆支撑杆到电机4转轴的间距。

实验操作步骤与原理

(一)、实验调节步骤

(1)调节底座水平。调节三个可调节支撑腿1-0，使之，箱体1-1表面处于水平泡1-2圆圈中间；

(2)接通控制箱2与圆形电机3间的控制线，并接通电源；其中控制箱为常规的控制箱，其内部电路及结构属于现有技术，因此不做具体说明。

(3)检查“新型向心力定量比较与演示实验仪”之间连接，保证各个转动轴间转动灵活，没有任何问题；

(4)准备好实验所用大球2m、小球m，作为实验备用。

(二)实验原理、步骤与操作原理

1、实验原理

设做圆周运动物体的质量为m，物体的转动半径(即物体到转轴的距离)为r，作匀速圆周运动角速度为ω(周期T)，则

f＝mω²r＝m(4π²)/T²r……(1)

从公式(1)可以看出，物体作匀速圆周运动的向心力，与物体质量m成正比，与圆周运动的角速度ω平方成正比，即与匀速圆周运动的周期平方T²成反比，与物体作匀速圆周运动的半径r成正比。下面我们就通过实验来验证该公式(1)的正确性。

2、步骤与操作原理

实验一：半径r、角速度ω相同，不同质量m_i物体向心力大小比较

1、设小球质量为m，大球质量为2m；把小球m、大球2m分别放在小半径承载球座11上做实验；

2、按下控制箱2开关2-1按钮，指示灯2-2亮，转动电机转动周数旋钮2-3设置电机转动周数为50圈，按动计时开始与结束按钮2-4，电机3转轴带动标尺转动横杆5转动；如图(12)所示。

3、球体m放在小半径承载球座11上，球体m离心力增加，小半径转动连杆10带动小半径承载球座11上的小球m围绕转动轴10-0向半径增大的方向转动，使之拉力杆12同步围绕与小半径连杆10共同的移动转动轴10-0向下方向转动，拉力杆12的拉力杆端点12-1带动竖直移动轴向下移动，拉动滑动套管14挤压弹簧16向下移动，待稳定后，对应的滑动套管14下移量为Δx₁，如图(9)、(1)、(2)所示；同样的方法用质量为2m的大球做实验，观察对应的滑动套管14下移量为Δx₂，如图(9)、(1)、(3)所示。

可以明显看出Δx₂＞Δx₁，得出结论是：半径r、角速度ω相同，质量为2m的大球向心力大，质量为m的小球向心力小。

向心力大小理论值计算：质量为m的小球均放在小半径承载球座11上，设半径为r₁，向心力为f₁＝mω²r₁；质量为2m的大球依放在小半径承载球座11上，半径依为r₁，向心力为f₂＝2mω²r₁；由此可知：f₁＜f₂，一定会与实验结果相同。其中，ω＝2π/T，T＝t/50，t为电机转动50圈从荧光屏2-6上读出的总时间t(如图12所示)。

实验二：角速度ω相同、半径r不同，质量为m的相同两物体向心力大小比较

1、取质量为m相同的两球体，分别放在小半径承载球座11与大半径承载球座7-3上，分别进行实验；

2、按下控制箱2开关2-1，指示灯2-2亮，转动电机转动周数旋钮2-3设置电机转动周数50圈，按动计时开始与结束按钮2-4；如图(12)所示。

3、电机3以角速度ω开始转动，电机3转轴带动标尺转动横杆5转动，小半径承载球座11上球体m离心力增加，小半径转动连杆10围绕小半径转动连杆10与拉力杆12间共同的移动转动轴10-0向半径增大的方向转动，拉力杆12围绕小半径转动连杆10与拉力杆12间共同移动转动轴10-0向下转动，拉力杆12的拉力杆端点12-1拉动竖直横向移动轴向下移动，带动滑动套管14压弹簧16向下移动，可以观察到质量为m小球对应的滑动套管14下移量为Δx₁，如图(9)、(1)、(2)所示；然后，把质量为m小球再放在大半径承载球座7-3上，电机3采用同样的角速度ω转动，带动标尺转动横杆5转动，大半径承载球座7-3上小球离心力增加，大半径转动连杆7围绕移动转动轴7-0转动，带动大半径与小半径转动连杆横向连接杆8背向转轴移动，拉动小半径转动连杆10向外转动，小半径转动连杆10围绕小半径转动连杆10与拉力杆12间的共同移动转动轴10-0向半径增大的方向转动，拉力杆12围绕小半径转动连杆10与拉力杆12间的共同移动转动轴10-0向下转动，拉力杆12的拉力杆端点12-1拉动竖直横向移动轴向下移动，带动滑动套管14压弹簧16向下移动，可以观察到质量为m小球对应的滑动套管14下移量为Δx₂，如图(9)、(1)、(3)所示；

可以明显看出：Δx₂＞Δx₁，说明了角速度ω相同、不同半径的两相同质量m物体的向心力大小不同，半径大的向心力大，半径小的向心力小；

向心力大小理论值的计算：设角速度为ω，质量为m的球体放在小半径承载球座11上，半径为r₁(r₁＜r₂)时，向心力f₁＝mω²r₁；质量为m球体放在大半径承载球座7-3上，半径为r₂(r₂＞r₁)时，向心力f₂＝mω²r₂；由此，可以得出结论：f₁＜f₂，一定会与实验结果相同。其中，ω＝2π/T，T＝t/50，t为电机转动50圈从荧光屏2-6上读出的总时间t，(如图12所示)。

实验三：半径r、质量m相同，转动角速度ω不同向心力大小的比较

1、取质量为m的两个小球，分两次放于小半径承载球座11上；分两次转动电机加速与减速旋钮2-7，分别设置不同角速度ω₁、ω₂进行实验；

2、按下控制箱2开关2-1，指示灯2-2亮，转动电机转动周数旋钮2-3设置电机转动周数50圈，按下计时开始与结束按钮2-4，如图(12)所示；

3、电机3转轴带动标尺转动横杆5转动，小半径承载球座11上质量为m的球体以角速度ω₁(ω₁＜ω₂)转动，由于球体m离心力作用，小半径承载球座11上小球离心力增加，小半径转动连杆10围绕小半径转动连杆10与拉力杆12间的共同移动转动轴10-0向半径增大的方向转动，拉力杆12围绕小半径转动连杆10与拉力杆12间的共同移动转动轴10-0向下转动，拉力杆12的拉力杆端点12-1拉动竖直横向转动移动轴12-2向下移动，带动滑动套管14压弹簧16向下移动，可以观察到质量为m小球对应的滑动套管14下移量为Δx₁，如图(9)、(1)、(2)所示；然后，把质量为m球体再放在小半径承载球座11上，电机3采用角速度ω₂(ω₂＞ω₁)转动，带动标尺转动横杆5转动，小半径承载球座11上球离心力增加，小半径转动连杆10围绕小半径转动连杆10与拉力杆12间的共同移动转动轴10-0向半径增大的方向转动，拉力杆12围绕小半径转动连杆10与拉力杆12间的共同移动转动轴10-0向下转动，拉力杆12的拉力杆端点12-1拉动竖直横向移动转动轴12-2向下移动，带动滑动套管14压弹簧16向下移动，可以观察到质量为m对应的滑动套管14下移量为Δx₂，如图(9)、(1)、(3)所示；

可以明显看出：Δx₂＞Δx₁，说明两相同质量m球体放在同一半径r处，若角速度ω_i不同，则向心力不同，角速度ω_i大的向心力大，角速度ω_i小的向心力小；

向心力大小理论值的计算：实验时，用质量为m的球体，均放在小半径承载球座11上，设该处半径r₁，电机转动角速度为ω₁(ω₂＞ω₁)时，向心力实验时所用角速度为ω₂(ω₂＞ω₁)时，向心力计算所得结论为：f₁＜f₂，一定会与实验结果相同。两次改变电机转速，电机分别转动50圈，均可从荧光屏2-6上读出两次总时间分别为t₁、t₂(t₂＜t₁)，ω＝2/T，T＝t/50，所以ω₁＜ω₂；(如图12所示)。

向心力f大小，是通过滑动套管14的下移量体现出来，因为向心力的反作用力离心力通过杠杆原理传递给滑动套筒一个向下分力，对弹簧施加一向下的力压缩弹簧使弹簧缩短，弹簧弹力与弹簧的压缩量成正比；弹簧被压缩弹性力的计算，是根据胡克定律F＝k·Δx，则F就是拉力杆12的拉力杆端点12-1作用在滑动套管14向下力的大小，小半径转动连杆10通过小半径转动连杆与拉力杆12共同移动转动轴10-2转动，拉力杆12的拉力杆端点12-1向下拉动竖直横向移动转动轴12-2，向下分力施加于滑动套管14上，向下压弹簧使之弹簧发生弹性形变。