一种演示开普勒面积定律的简易实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及实验设备技术领域，尤其涉及一种演示开普勒面积定律的简易实验装 置。
【背景技术】
[0002] 开普勒定律，又称为行星运动定律。开普勒第二定律（面积定律）：对任意一个行 星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积。这一定律告诉我们，在围绕太阳 运行的时候，行星是怎样改变其速度的。
[0003] 行星的运动对于高中生来说既神秘又难以想象，如果能设计一个直观、有趣的实 验，就可以满足他们的好奇心，从而培养同学们的学习兴趣和科学探究精神。
[0004] 为了直接记录、显示运动物体不同时刻在空间中的位置，常采用频闪照相，这种方 法对于研究二维运动更有优越性，在自由落体运动研究中最为普遍。该实验方法同样可以 运用到开普勒第二定律的验证上，将椭圆摆在平面内摆动成椭圆的轨迹，利用频闪摄影技 术，这样在同一张照片上便可获得清晰的小球椭圆运动的轨迹图像。但是实验成本高，推广 范围很小。
【发明内容】
[0005] 基于【背景技术】存在的技术问题，本发明提出了一种演示开普勒面积定律的简易实 验装置。
[0006] 本发明提出的一种演示开普勒面积定律的简易实验装置，
[0007] -种演示开普勒面积定律的简易实验装置，包括实验桌，所述实验桌的下端呈矩 阵排列安装有支撑柱，所述实验桌的上端一侧安装有两个支撑架，所述支撑架的一侧安装 有横杆，所述两个横杆的交接处安装有频闪灯，所述频闪灯的上端安装有数码照相机，且数 码照相机的一侧通过电源线与电源连接，且电源线环绕在横杆上，所述实验桌远离支撑架 的一端安装有摆架，所述摆架通过卡接装置与实验桌固定，所述实验桌的下端设有白色纸， 所述摆架的一端安装有连接线，且连接线远离摆架的一端安装有摆球，且摆球位于白色纸 的上端。
[0008] 优选地，所述支撑柱的下端设有防滑装置，且实验桌的上端桌面设有防滑纹。
[0009] 优选地，所述白色纸位于实验桌的前方下端，且当与实验桌位于一个水平面上时 轨道为圆，有一定交角时为轨道为椭圆。
[0010] 优选地，所述数码照相机的照相头位于频闪灯的前端，且照相头面向白色纸。
[0011] 优选地，测量步骤：打开数码照相机的快门，为了防止手按动快门时的抖动对照片 的影响，可采用定时自动拍摄，按下快门后，待相机定时装置即将启动快门时手动启动频闪 光源，同时在适合的角度放下摆球，在摆球完成一个周期的椭圆轨道运动后，关闭照相机的 快门。
[0012] 本发明中，借鉴了频闪照相的功能优点后，开辟了在没有昂贵摄像机的条件下也 能做的简单小实验，可以供更广大的高中物理教师课堂教学使用，成本简易器材下设计出 的开普勒面积相等定律实验。另一种低成本的水与纸杯简易的实验（见图2)，教学实践表 明效果较好。即水滴运动轨迹法：在纸杯中装入约重物，用于稳定纸杯的运动。在纸杯中倒 入适量的稀释后的墨水，在合适的角度摆动纸杯，确保纸杯漏出的墨水滴能做一个椭圆摆 运动。研究开普勒面积相等定律时，待墨水干后，在白纸上用铅笔将墨水图像描绘出来。b、 找到图像中央，标记为〇,每滴水印的中心放上记号，并依次标记为A1、A2、A3......。C、将图纸 中央〇与各位置上水滴中心用铅笔画线连接起来。
[0013] 从小孔落到白纸上的墨水可以追踪纸杯的椭圆运动轨迹。由于小孔允许每滴水落 下的时间At相同，任意两滴墨水之间的时间间隔相等，所以墨滴的数量N oc物体运动时间 t，因此水滴的数量N oc线速度的倒数从白纸上水滴连成的椭圆轨道可以看出，在远日点 及其附近水滴的数量多，纸杯线速度V小，在近日点水滴的数量少，所以纸杯线速度V大。 计算在相等时间内墨滴与图像中央〇点间连线扫过的面积原理与频闪照相法相同。实验得 出行星与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积，也就是
或者 F1A r i= r 2Λ r 2。将上式除以Δ t，令Δ t - 0,那么式子变为!T1V1= r 2v2，由于行星质量 是常量，又可以得出Hir1V1= mr 2v2, mrv是行星的角动量，因此由开普勒第二定律可以推出 在有心力场中运动的行星角动量守恒。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明提出的一种演示开普勒面积定律的简易实验装置的结构示意图；
[0015] 图2为本发明提出的一种演示开普勒面积定律的简易实验装置的纸杯实验结构 示意图。
[0016] 图中：1电源线、2横杆、3支撑架、4数码照相机、5频闪灯、6摆架、7卡接装置、8实 验桌、9支撑柱、10连接线、11摆球、12白色纸。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
[0018] -种演示开普勒面积定律的简易实验装置，包括实验桌8,实验桌8的下端呈矩阵 排列安装有支撑柱9,实验桌8的上端一侧安装有两个支撑架3,支撑架3的一侧安装有横 杆2,两个横杆2的交接处安装有频闪灯5,频闪灯5的上端安装有数码照相机4,且数码照 相机4的一侧通过电源线1与电源连接，且电源线1环绕在横杆2上，实验桌8远离支撑架 3的一端安装有摆架6,摆架6通过卡接装置7与实验桌8固定，实验桌8的下端设有白色 纸12,白色纸12可以调节与实验桌8的交角，以保证摆球形成所需的椭圆轨道。摆架6的 一端安装有连接线10,且连接线10远离摆架6的一端安装有摆球11，且摆球11位于白色 纸12的上端，支撑柱9的下端设有防滑装置，且实验桌8的上端桌面设有防滑纹，白色纸12 位于实验桌8的前方下端，且当与实验桌8位于一个水平面上时轨道为圆，有一定交角时为 轨道为椭圆，数码照相机4的照相头位于频闪灯5的前端，且照相头面向白色纸12。本发明 低成本、接地气的廉价实验更受广大师生的喜爱，也更能体现师生的智慧。在借鉴了频闪照 相的功能优点后，开辟了在没有昂贵摄像机的条件下也能做的简单小实验，可以供更广大 的高中物理教师课堂教学使用。
[0019] 测量步骤：打开数码照相机4的快门，为了防止手按动快门时的抖动对照片的影 响，可采用定时自动拍摄，按下快门后，待相机定时装置即将启动快门时手动启动频闪光 源，同时在适合的角度放下摆球11，在摆球11完成一个周期的椭圆轨道运动后，关闭照相 机的快门，
[0020] 画图步骤为：把薄描图纸放在照片上，用铅笔将照片上的图像描绘下来；找到图 纸中央标记为0,每个小球图像的中心画上记号，并依次标记为Al、A2、A3......;拿走图纸，将 图纸中央〇与各位置上小球的中心用铅笔画线连接起来。计算在相等时间内小球与图像中 央0点连线扫过的面积，频闪照相将白色小球运动一周的位置图像记录在同一底片上。由 于感光时间相同，照片上得到的是连贯的相同时间间隔下小球运动到各点的位置图像；虽 然小球的轨道是弯曲的，如果我们选择非常接近的连续的小球位置，我们可以近似认为是 直线段轨道；连线扫过的面积是一个三角形；三角形的高约为R，它的底约等于小球在相等 时间t内运动过的位移，计算每个小三角形的面积。
[0021] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种演示开普勒面积定律的简易实验装置，包括实验桌（8)，所述实验桌（8)的下 端呈矩阵排列安装有支撑柱（9)，其特征在于，所述实验桌（8)的上端一侧安装有两个支撑 架（3)，所述支撑架（3)的一侧安装有横杆（2)，所述两个横杆（2)的交接处安装有频闪灯 (5)，所述频闪灯（5)的上端安装有数码照相机（4)，且数码照相机（4)的一侧通过电源线 (1)与电源连接，且电源线（1)环绕在横杆（2)上，所述实验桌（8)远离支撑架（3)的一端 安装有摆架（6)，所述摆架（6)通过卡接装置（7)与实验桌（8)固定，所述实验桌（8)的下 端设有白色纸（12)，所述白色纸（12)可以调节与实验桌（8)的交角，以保证摆球形成所需 的椭圆轨道。所述摆架（6)的一端安装有连接线（10)，且连接线（10)远离摆架（6)的一端 安装有摆球（11)，且摆球（11)位于白色纸（12)的上端。2. 根据权利要求1所述用于一种演示开普勒面积定律的简易实验装置，其特征在于， 所述支撑柱（9)的下端设有防滑装置，且实验桌（8)的上端桌面设有防滑纹。3. 根据权利要求1所述用于一种演示开普勒面积定律的简易实验装置，其特征在于， 所述白色纸（12)位于实验桌（8)的前方下端，且当与实验桌（8)位于一个水平面上时轨道 为圆，有一定交角时为轨道为椭圆。4. 根据权利要求1所述用于一种演示开普勒面积定律的简易实验装置，其特征在于， 所述数码照相机（4)的照相头位于频闪灯（5)的前端，且照相头面向白色纸（12)。5. 根据权利要求1所述用于一种演示开普勒面积定律的简易实验装置，其特征在于， 测量步骤：打开数码照相机（4)的快门，为了防止手按动快门时的抖动对照片的影响，可采 用定时自动拍摄，按下快门后，待相机定时装置即将启动快门时手动启动频闪光源，同时在 适合的角度放下摆球（11)，在摆球（11)完成一个周期的椭圆轨道运动后，关闭照相机的快 门。
【专利摘要】本发明公开了一种演示开普勒面积定律的简易实验装置，包括实验桌，所述实验桌的下端呈矩阵排列安装有支撑柱，所述实验桌的上端一侧安装有两个支撑架，且电源线环绕在横杆上，所述实验桌远离支撑架的一端安装有摆架，所述摆架通过卡接装置与实验桌固定，所述实验桌的下端设有白色纸，所述摆架的一端安装有连接线，且连接线远离摆架的一端安装有摆球，且摆球位于白色纸的上端。本发明低成本、接地气的廉价实验更受广大师生的喜爱，也更能体现师生的智慧。在借鉴了频闪照相的功能优点后，开辟了在没有昂贵摄像机的条件下也能做的简单小实验，可以供更广大的高中物理教师课堂教学使用。
【IPC分类】G09B23/10
【公开号】CN105303934
【申请号】CN201510883494
【发明人】张皓晶, 张丽, 胡蓉, 林灵, 温元斌, 张 雄, 许建山, 丁章月, 苏亮
【申请人】云南师范大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年12月4日