向心力实验教学演示仪的制作方法
专利名称:向心力实验教学演示仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型提出了一种向心力实验教学演示仪，它主要由基座底板、安装于基座底板的步进电机、对射光电开关、转盘、离心导轨、拉力传感器、蓝牙发送器和智能控制器构成，它是采用蓝牙通信智能技术与光电传感技术相结合制成能直观演示物体作圆周运动的向心力现象和规律的实验演示仪，可同时按“不同质量”、“不同半径”组合方式进行实验演示教学，实验数据准确对照可比性强，本实用新型具有结构简捷、生产容易成本低、智能化控制程度高、演示直观趣味性强、实验效率高教学效果好的突出优点。经过试用表明：它对引导学生快速理解向心力物理规律的知识内涵进而提高教学质量有明显的技术效果，在中学物理教学科研中有极佳的应用前景。
【专利说明】
向心力实验教学演示仪
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种向心力实验教学演示仪，属于教学仪器的技术领域，特别适合在物理教学课堂上作实验演示用，它能帮助学生正确理解质点作圆周运动的向心力现象和规律。
【背景技术】
[0002]我们知道:物体作圆周运动应具备两个必要条件:①.它有初速度;②.它受到一个大小不变、方向与速度垂直即指向圆心的作用力(这个指向圆心的作用力即为向心力)。匀速圆周运动就是质点在相等时间内通过相等圆弧长度的一种最简单的圆周运动，物体作匀速圆周运动时，虽然它的速度大小(即速率)是不变的，但是速度的方向时刻都在改变，进一步地说，它的向心加速度大小是不变的，但是向心加速度的方向时刻都在改变。即是说，匀速圆周运动究其本质而言是一种变加速运动，向心力正是物体作圆周运动时受到的改变速度方向的一种指向圆心的作用力，在中学物理教学大纲中，向心力公式表述为:
[0003]F = ma = mv2/R = 4 mRn2/T2
[0004]在上述公式中:F为向心力，m为物体的质量，a为向心加速度，V为圆周运动的速率，R为圆周运动的半径，为圆周率，T为圆周运动的周期。
[0005]在中学物理教学实践中普遍公为:关于圆周运动的章节既是一个教学重点，又是一个教学难点，老师在课堂上难以清晰明了地讲解描述“作圆周运动的物体所受到的向心作用力”，学生也很难认识感知“在圆周运动过程中存在的向心力现象”，更难以深刻理解向心力物理规律的知识内涵。究其主要原因是:目前，在现行中学物理教学中还没有一种能直观展示“物体作圆周运动时存在向心力现象”的实验教具，也没有可量化显示“向心力与质量、速率和半径相关规律”的教学仪器。这已成为制约中学物理教学质量的一个瓶颈，这也是长期从事物理教学科研工作者和教具生产企业一直都希望解决的一个教学课题，本实用新型正是想要解决这个问题。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的旨在提出一种采用蓝牙通信智能技术与拉力传感器技术相结合形成新型结构的向心力实验教学演示仪，它能直观地展示物体作圆周运动的向心力现象，可帮助学生正确理解向心力物理规律的知识内涵，对提高中学物理教学质量有明显效果O
[0007]本实用新型的目的是按照如下技术方案来实现的:
[0008]本实用新型提出的向心力实验教学演示仪，它包括基座底板、安装于基座底板的步进电机、转盘和连接于转盘的一组离心导轨，所述的转盘连接配装于步进电机的输出轴轴端，其特征在于:在转盘上对应离心导轨的位置处配装有拉力传感器、蓝牙发送器，在步进电机的输出轴上安装遮光板，在基座底板上与遮光板相对应的位置处配装一组对射光电开关，在基座底板前端的演示操作台上配装有智能控制器、人机交互界面和与蓝牙发送器相匹配的蓝牙接收器。其显著的结构特点是:它在转盘上对应一组离心导轨的位置处配装拉力传感器、蓝牙发送器，将质量为m的钢球放置于离心导轨内半径为R的位置处并用拉绳固定挂装于拉力传感器上，由智能控制器发送指令启动步进电机并通过转盘带动一组离心导轨按一定速率V转动，钢球会随着离心导轨一道转动作圆周运动，拉绳对钢球的拉力即为它作圆周运动的向心力，与此同时，拉绳也会对拉力传感器施以相同的拉力(它在数值上与向心力相等)，再由蓝牙发送器将拉力传感器感应检测的拉力信号发送至智能控制器，对射光电开关将检测的光电周期T信号输送至智能控制器，经智能控制器计算处理后即可在人机交互界面上显示出向心力的数值。至此，即可实现本实用新直观显示“物体作圆周运动时存在向心力的物理现象”并量化显示“向心力数值”的发明目的，它能帮助学生快速理解向心力规律的知识内涵，对提高物理教学质量具有明显的技术效果。
[0009]为更好地实现本实用新型的发明目的，更进一步地说它还具有如下技术特征:
[0010]所述的智能控制器由单片机控制器、蓝牙通信模块、周期数据处理模块、向心力数据转换模块、调速控制模块、步进电机驱动模块、输入/输出接口电路和电源模块组成。上述各功能模块均为可市购的标准器件，这种配置设计具有计算功能强、数据处理速度快、运行安全可靠、工作稳定性能好的工作特性，能很好地满足中学物理实验演示的教学要求。
[0011]所述的人机交互界面由键盘、LED显示屏组成。这种配置设计特别方便于在课堂教学演示时快速输入实验数据的操作。
[0012]所述的转盘由盘轴固定连接安装于步进电机的输出轴轴端。这种结构设计特别方便于转盘的固定连接安装和拆卸维修作业的操作。
[0013]在离心导轨的内侧壁面刻划设置有半径标示尺。这种结构设计能方便快捷准确地读取钢球在离心导轨内作圆周运动的半径数据，对提高实验效率有一定作用。
[0014]在离心导轨的外端设置有挡板。设置挡板的目的是为了有效防止发生“拉绳被扯断或钢球脱钩时射出伤人”的事故，对保障课堂教学实验的安全性能有一定作用。
[0015]—组离心导轨的数量为四个并按对称位置固定连接安装于转盘上。这种结构设计能同时进行四组“不同质量”或“不同半径”或“不同质量且不同半径”的实验演示教学，不仅提高了课堂教学的实验效率，还能使四组实验数据具有很好的对照可比性，对进一步提高物理实验教学质量有一定作用。
[0016]在演示操作台上配装有调速旋钮、清零按键。这种结构设计能方便地进行调节转速和清零的操作，在实验演示教学中有很好的使用效果。
[0017]本实用新型具有如下优点:
[0018]本实用新型首创了一种采用蓝牙通信智能技术与光电、传感技术相结合的向心力实验教学演示仪，它显著的结构特点是:在一组离心导轨内放置用拉绳挂装于拉力传感器的钢球，由蓝牙发送器将钢球作圆周运动时的拉力信号发送至智能控制器，由对射光电开关将检测的光电周期T信号输入智能控制器，即可在人机交互界面的LED显示屏上显示向心力数值，它能同时按“不同质量”或“不同半径”或“不同质量、不同半径”的方式进行多组实验演示教学，实验数据具有鲜明的对照可比性，可直观地演示“向心力物理现象和规律”、提高课堂教学的实验效率。本实用新型具有结构简捷、生产容易成本低、智能化程度高、演示直观趣味性强、实验数据准确和教学效果好的突出优点。经试用表明:它对引导学生快速理解向心力物理规律的知识内涵进而提高教学质量有明显的技术效果，在中学物理教学科研中有很好的应用前景。
【附图说明】
[0019]图1是本实用新型的结构示意图，也作摘要附图。
[0020]图2是离心导轨的结构示意图(放大)，展示在离心导轨的内侧壁面刻划半径标示尺和在外端设置挡板的结构示意图。
[0021 ]图3是图1的A—A视图(放大)，展示在离心导轨内放置钢球的实验示意图。
[0022]图4是图1的俯视图，展示在演示操作台上设置智能控制器、调速旋钮、LED显示屏和键盘的布置不意图。
[0023]图5是智能控制器的工作原理模块框图。
[0024]附图中的标记说明:
[0025]I为基座底板，2为钢球，3为离心导轨，4为拉绳，5为拉力传感器，6为蓝牙发送器，7为转盘，8为盘轴，9为紧固螺母，10为遮光板，11为对射光电开关，12为电缆，13为步进电机，14为螺钉，15为半径标示尺，16为挡板，17为蓝牙接收器，18为智能控制器，19为键盘，20为清零按键，21为电源插头，22为开关，23为演示操作台，24为调速旋钮，25为LED显示屏。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图进一步描述本实用新型的实施例:
[0027]本实用新型提出的一种向心力实验教学演示仪，它主要由基座底板1、安装于基座底板I的步进电机13、对射光电开关11、转盘7、离心导轨3、拉力传感器5、蓝牙发送器6、蓝牙接收器17、智能控制器18和人机交互界面构成，所述的转盘7是由由紧固螺母9固定安装于盘轴8顶端，盘轴8底端固定连接配装于步进电机13的输出轴轴端，在转盘7上按对称位置用螺钉14固定连接安装四个离心导轨3并在对应离心导轨3的位置处配装拉力传感器5、蓝牙发送器6，在离心导轨3的内侧壁面刻划设置半径标示尺15，在离心导轨3的外端设置有防止钢球2脱落射出的挡板16，在步进电机13的输出轴上安装一个遮光板10，在基座底板I上对应遮光板10的位置处配装对射光电开关11，所述步进电机13、对射光电开关11由电缆12连接于智能控制器18，在基座底板I前端的演示操作台23上配装有智能控制器18、键盘19、LED显示屏25、开关22、调速旋钮24、清零按键20和与蓝牙发送器6相匹配的蓝牙接收器17，所述的智能控制器18由单片机控制器89S52、蓝牙通信模块、周期数据处理模块、向心力数据转换模块、周期控制模块、步进电机驱动模块和输入/输出接口电路和电源模块组成。在单片机控制器89S52内预置向心力公式:F = ma = mv2/R = 4 mRji2/T2的计算程序。
[0028]它是按如下步骤进行向心力实验教学演示仪操作的:
[0029]第一.首先根据教学大纲编制《实验演示计划书》，选取四个不同质量的钢球2并分别记为1111、1]12、1113、1114，将质量为1111、1]12、1113、1114的四个钢球2分别放置于四个离心导轨3内并使四个钢球2均位于相同半径R的位置处，用拉绳4分别挂装于与之相对应的四个拉力传感器5上。经检查无误后，插上电源插头21，按下开关22通电，待智能控制器18各模块初始化后，在LED显示屏25上会显示“当前日期、时间”，再操作键盘19分四组逐项输入四个钢球2的质量m1、m2、m3、m4和半径R的数值，即完成实验演示的准备工作。
[0030]第二.实验演示:转动调速旋钮24，由智能控制器18通过电缆12向步进电机13发送启动指令，待步进电机13启动正常后，对射光电开关11检测的光电周期T信号由电缆12导入周期数据处理模块再输入单片机控制器89S52，在LED显示屏25上会显示“周期T”的数值，再精确操作调速旋钮24调节转速使“周期T”的数值达到《实验演示计划书》的要求为止，这时，智能控制器18会按照预置的向心力公式的计算程序进行计算处理，在LED显示屏25上会分别显示对应钢球质量为nu、m2、m3、π?4和半径为R的四组“向心力理论值”的数值。
[0031]与此同时，在步进电机13通过转盘7带动四个离心导轨3按一定速率V(或者说按调节设定的周期Τ)转动时，四个钢球2将随离心导轨3—道转动作圆周运动，拉绳4对钢球2的拉力即为向心力，拉绳4会同时对拉力传感器5施以相同的拉力(它在数值上与向心力相等)，四个拉力传感器5感应检测的拉力信号将分别由四个蓝牙发送器6发送至蓝牙接收器17，再经向心力数据转换模块输入单片机控制器89S52进行处理后即可在LED显示屏25上对应显示四组“向心力实验值”的数值。
[0032]第三.对比观察:指导学生观察记录四组“向心力理论值”和“向心力实验值”的数据并进行比较分析，即可发现:每组“向心力实验值”的数值都是非常接近于“向心力理论值”的数值。如排除钢球2与离心导轨3之间存在静摩擦力所产生的实验误差，我们完全可以认定:每组“向心力实验值”的数值与“向心力理论值”都是相等的。
[0033]通过上述实验演示即可验证:“物体作圆周运动的向心力与质量成正比”的结论。
[0034]我们还可以再操作调速旋钮24将转速增大一倍后继续进行实验演示作业，这时，在LED显示屏25上会显示出新的“周期Τ”的数值，同时，在LED显示屏25上会分别显示对应钢球质量为m1、m2、m3、m4和半径为R的四组新的“向心力理论值”的数值、新的“向心力实验值”的数值。我们观察到:新的“周期T”的数值减小为原周期值的二分之一，而新的“向心力理论值”数值却增大为原“向心力理论值”的四倍;新的“向心力实验值”数值也同样增大四倍。并且，每组新的“向心力实验值”的数值与新的“向心力理论值”仍是相等的。
[0035]至此，通过上述实验演示也可验证:“物体作圆周运动的向心力与周期的平方成反比”的结论。
[0036]同理，我们也可以采用四个相同质量为m的钢球2放置于四个离心导轨3内并使四个钢球2分别位于不同半径的位置处，将四个相同质量的钢球2位于不同位置的半径分别记为RhR^RhR4,再用拉绳4分别挂装于与之相对应的四个拉力传感器5上。
[0037]按照上述实验演示步骤进行同样的操作，我们同样可以观察到在LED显示屏25上会显示出:四个相同质量的钢球2在不同半径位置作圆周运动的四组“向心力理论值”和“向心力实验值”的数据，进行比较分析后，我们同样发现:每组“向心力实验值”数值与“向心力理论值”都是相等的。
[0038]至此，通过上述实验演示也可完美地验证:“物体作圆周运动的向心力与半径成正比”的结论。
[0039]最后按下清零按键20进行清零操作，即可结束演示实验。
[0040]综上所述，通过上述一系列实验演示表明:本实用新型能清晰直观地展示物体作圆周运动的向心力物理现象并量化揭示向心力物理规律。
[0041]需要说明的是:本实用新型已在教学实践中试用表明:它对引导学生快速理解向心力物理规律的知识内涵进而提高教学质量确实具有明显的技术效果，在中学物理教学科研中有很好的应用前景。
【主权项】
1.一种向心力实验教学演示仪，它包括基座底板(1)、安装于基座底板(I)的步进电机(13)、转盘(7)和连接于转盘(7)的一组离心导轨(3)，所述的转盘(7)连接配装于步进电机(13)的输出轴轴端，其特征在于:在转盘(7)上对应离心导轨(3)的位置处配装有拉力传感器(5)、蓝牙发送器(6)，在步进电机(13)的输出轴上安装遮光板(10)，在基座底板(I)上与遮光板(10)相对应的位置处配装一组对射光电开关(11)，在基座底板(I)前端的演示操作台(23)上配装有智能控制器(18)、人机交互界面和与蓝牙发送器(6)相匹配的蓝牙接收器(17)。2.根据权利要求1所述的向心力实验教学演示仪，其特征在于:所述的人机交互界面由键盘(19)、LED显示屏(25)组成。3.根据权利要求1或2所述的向心力实验教学演示仪，其特征在于:所述的转盘(7)由盘轴(8)固定连接安装于步进电机(13)的输出轴轴端。4.根据权利要求1或2所述的一种向心力实验教学演示仪，其特征在于:在离心导轨(3)的内侧壁面刻划设置有半径标示尺(15)。5.根据权利要求1或2所述的一种向心力实验教学演示仪，其特征在于:在离心导轨(3)的外端设置有挡板(16)。6.根据权利要求1或2所述的一种向心力实验教学演示仪，其特征在于:一组离心导轨(3)的数量为四个并按对称位置固定连接安装于转盘(7)上。7.根据权利要求1或2所述的一种向心力实验教学演示仪，其特征在于:在演示操作台(23)上配装有调速旋钮(24)、清零按键(20)。
【文档编号】G09B23/10GK205722524SQ201521012545
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2015年12月9日
【发明人】李健, 汪志刚, 李富刚, 巩伟, 周丹
【申请人】乐山师范学院
【专利摘要】本实用新型提出了一种向心力实验教学演示仪，它主要由基座底板、安装于基座底板的步进电机、对射光电开关、转盘、离心导轨、拉力传感器、蓝牙发送器和智能控制器构成，它是采用蓝牙通信智能技术与光电传感技术相结合制成能直观演示物体作圆周运动的向心力现象和规律的实验演示仪，可同时按“不同质量”、“不同半径”组合方式进行实验演示教学，实验数据准确对照可比性强，本实用新型具有结构简捷、生产容易成本低、智能化控制程度高、演示直观趣味性强、实验效率高教学效果好的突出优点。经过试用表明：它对引导学生快速理解向心力物理规律的知识内涵进而提高教学质量有明显的技术效果，在中学物理教学科研中有极佳的应用前景。
【专利说明】
向心力实验教学演示仪
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种向心力实验教学演示仪，属于教学仪器的技术领域，特别适合在物理教学课堂上作实验演示用，它能帮助学生正确理解质点作圆周运动的向心力现象和规律。
【背景技术】
[0002]我们知道:物体作圆周运动应具备两个必要条件:①.它有初速度;②.它受到一个大小不变、方向与速度垂直即指向圆心的作用力(这个指向圆心的作用力即为向心力)。匀速圆周运动就是质点在相等时间内通过相等圆弧长度的一种最简单的圆周运动，物体作匀速圆周运动时，虽然它的速度大小(即速率)是不变的，但是速度的方向时刻都在改变，进一步地说，它的向心加速度大小是不变的，但是向心加速度的方向时刻都在改变。即是说，匀速圆周运动究其本质而言是一种变加速运动，向心力正是物体作圆周运动时受到的改变速度方向的一种指向圆心的作用力，在中学物理教学大纲中，向心力公式表述为:
[0003]F = ma = mv2/R = 4 mRn2/T2
[0004]在上述公式中:F为向心力，m为物体的质量，a为向心加速度，V为圆周运动的速率，R为圆周运动的半径，为圆周率，T为圆周运动的周期。
[0005]在中学物理教学实践中普遍公为:关于圆周运动的章节既是一个教学重点，又是一个教学难点，老师在课堂上难以清晰明了地讲解描述“作圆周运动的物体所受到的向心作用力”，学生也很难认识感知“在圆周运动过程中存在的向心力现象”，更难以深刻理解向心力物理规律的知识内涵。究其主要原因是:目前，在现行中学物理教学中还没有一种能直观展示“物体作圆周运动时存在向心力现象”的实验教具，也没有可量化显示“向心力与质量、速率和半径相关规律”的教学仪器。这已成为制约中学物理教学质量的一个瓶颈，这也是长期从事物理教学科研工作者和教具生产企业一直都希望解决的一个教学课题，本实用新型正是想要解决这个问题。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的旨在提出一种采用蓝牙通信智能技术与拉力传感器技术相结合形成新型结构的向心力实验教学演示仪，它能直观地展示物体作圆周运动的向心力现象，可帮助学生正确理解向心力物理规律的知识内涵，对提高中学物理教学质量有明显效果O
[0007]本实用新型的目的是按照如下技术方案来实现的:
[0008]本实用新型提出的向心力实验教学演示仪，它包括基座底板、安装于基座底板的步进电机、转盘和连接于转盘的一组离心导轨，所述的转盘连接配装于步进电机的输出轴轴端，其特征在于:在转盘上对应离心导轨的位置处配装有拉力传感器、蓝牙发送器，在步进电机的输出轴上安装遮光板，在基座底板上与遮光板相对应的位置处配装一组对射光电开关，在基座底板前端的演示操作台上配装有智能控制器、人机交互界面和与蓝牙发送器相匹配的蓝牙接收器。其显著的结构特点是:它在转盘上对应一组离心导轨的位置处配装拉力传感器、蓝牙发送器，将质量为m的钢球放置于离心导轨内半径为R的位置处并用拉绳固定挂装于拉力传感器上，由智能控制器发送指令启动步进电机并通过转盘带动一组离心导轨按一定速率V转动，钢球会随着离心导轨一道转动作圆周运动，拉绳对钢球的拉力即为它作圆周运动的向心力，与此同时，拉绳也会对拉力传感器施以相同的拉力(它在数值上与向心力相等)，再由蓝牙发送器将拉力传感器感应检测的拉力信号发送至智能控制器，对射光电开关将检测的光电周期T信号输送至智能控制器，经智能控制器计算处理后即可在人机交互界面上显示出向心力的数值。至此，即可实现本实用新直观显示“物体作圆周运动时存在向心力的物理现象”并量化显示“向心力数值”的发明目的，它能帮助学生快速理解向心力规律的知识内涵，对提高物理教学质量具有明显的技术效果。
[0009]为更好地实现本实用新型的发明目的，更进一步地说它还具有如下技术特征:
[0010]所述的智能控制器由单片机控制器、蓝牙通信模块、周期数据处理模块、向心力数据转换模块、调速控制模块、步进电机驱动模块、输入/输出接口电路和电源模块组成。上述各功能模块均为可市购的标准器件，这种配置设计具有计算功能强、数据处理速度快、运行安全可靠、工作稳定性能好的工作特性，能很好地满足中学物理实验演示的教学要求。
[0011]所述的人机交互界面由键盘、LED显示屏组成。这种配置设计特别方便于在课堂教学演示时快速输入实验数据的操作。
[0012]所述的转盘由盘轴固定连接安装于步进电机的输出轴轴端。这种结构设计特别方便于转盘的固定连接安装和拆卸维修作业的操作。
[0013]在离心导轨的内侧壁面刻划设置有半径标示尺。这种结构设计能方便快捷准确地读取钢球在离心导轨内作圆周运动的半径数据，对提高实验效率有一定作用。
[0014]在离心导轨的外端设置有挡板。设置挡板的目的是为了有效防止发生“拉绳被扯断或钢球脱钩时射出伤人”的事故，对保障课堂教学实验的安全性能有一定作用。
[0015]—组离心导轨的数量为四个并按对称位置固定连接安装于转盘上。这种结构设计能同时进行四组“不同质量”或“不同半径”或“不同质量且不同半径”的实验演示教学，不仅提高了课堂教学的实验效率，还能使四组实验数据具有很好的对照可比性，对进一步提高物理实验教学质量有一定作用。
[0016]在演示操作台上配装有调速旋钮、清零按键。这种结构设计能方便地进行调节转速和清零的操作，在实验演示教学中有很好的使用效果。
[0017]本实用新型具有如下优点:
[0018]本实用新型首创了一种采用蓝牙通信智能技术与光电、传感技术相结合的向心力实验教学演示仪，它显著的结构特点是:在一组离心导轨内放置用拉绳挂装于拉力传感器的钢球，由蓝牙发送器将钢球作圆周运动时的拉力信号发送至智能控制器，由对射光电开关将检测的光电周期T信号输入智能控制器，即可在人机交互界面的LED显示屏上显示向心力数值，它能同时按“不同质量”或“不同半径”或“不同质量、不同半径”的方式进行多组实验演示教学，实验数据具有鲜明的对照可比性，可直观地演示“向心力物理现象和规律”、提高课堂教学的实验效率。本实用新型具有结构简捷、生产容易成本低、智能化程度高、演示直观趣味性强、实验数据准确和教学效果好的突出优点。经试用表明:它对引导学生快速理解向心力物理规律的知识内涵进而提高教学质量有明显的技术效果，在中学物理教学科研中有很好的应用前景。
【附图说明】
[0019]图1是本实用新型的结构示意图，也作摘要附图。
[0020]图2是离心导轨的结构示意图(放大)，展示在离心导轨的内侧壁面刻划半径标示尺和在外端设置挡板的结构示意图。
[0021 ]图3是图1的A—A视图(放大)，展示在离心导轨内放置钢球的实验示意图。
[0022]图4是图1的俯视图，展示在演示操作台上设置智能控制器、调速旋钮、LED显示屏和键盘的布置不意图。
[0023]图5是智能控制器的工作原理模块框图。
[0024]附图中的标记说明:
[0025]I为基座底板，2为钢球，3为离心导轨，4为拉绳，5为拉力传感器，6为蓝牙发送器，7为转盘，8为盘轴，9为紧固螺母，10为遮光板，11为对射光电开关，12为电缆，13为步进电机，14为螺钉，15为半径标示尺，16为挡板，17为蓝牙接收器，18为智能控制器，19为键盘，20为清零按键，21为电源插头，22为开关，23为演示操作台，24为调速旋钮，25为LED显示屏。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图进一步描述本实用新型的实施例:
[0027]本实用新型提出的一种向心力实验教学演示仪，它主要由基座底板1、安装于基座底板I的步进电机13、对射光电开关11、转盘7、离心导轨3、拉力传感器5、蓝牙发送器6、蓝牙接收器17、智能控制器18和人机交互界面构成，所述的转盘7是由由紧固螺母9固定安装于盘轴8顶端，盘轴8底端固定连接配装于步进电机13的输出轴轴端，在转盘7上按对称位置用螺钉14固定连接安装四个离心导轨3并在对应离心导轨3的位置处配装拉力传感器5、蓝牙发送器6，在离心导轨3的内侧壁面刻划设置半径标示尺15，在离心导轨3的外端设置有防止钢球2脱落射出的挡板16，在步进电机13的输出轴上安装一个遮光板10，在基座底板I上对应遮光板10的位置处配装对射光电开关11，所述步进电机13、对射光电开关11由电缆12连接于智能控制器18，在基座底板I前端的演示操作台23上配装有智能控制器18、键盘19、LED显示屏25、开关22、调速旋钮24、清零按键20和与蓝牙发送器6相匹配的蓝牙接收器17，所述的智能控制器18由单片机控制器89S52、蓝牙通信模块、周期数据处理模块、向心力数据转换模块、周期控制模块、步进电机驱动模块和输入/输出接口电路和电源模块组成。在单片机控制器89S52内预置向心力公式:F = ma = mv2/R = 4 mRji2/T2的计算程序。
[0028]它是按如下步骤进行向心力实验教学演示仪操作的:
[0029]第一.首先根据教学大纲编制《实验演示计划书》，选取四个不同质量的钢球2并分别记为1111、1]12、1113、1114，将质量为1111、1]12、1113、1114的四个钢球2分别放置于四个离心导轨3内并使四个钢球2均位于相同半径R的位置处，用拉绳4分别挂装于与之相对应的四个拉力传感器5上。经检查无误后，插上电源插头21，按下开关22通电，待智能控制器18各模块初始化后，在LED显示屏25上会显示“当前日期、时间”，再操作键盘19分四组逐项输入四个钢球2的质量m1、m2、m3、m4和半径R的数值，即完成实验演示的准备工作。
[0030]第二.实验演示:转动调速旋钮24，由智能控制器18通过电缆12向步进电机13发送启动指令，待步进电机13启动正常后，对射光电开关11检测的光电周期T信号由电缆12导入周期数据处理模块再输入单片机控制器89S52，在LED显示屏25上会显示“周期T”的数值，再精确操作调速旋钮24调节转速使“周期T”的数值达到《实验演示计划书》的要求为止，这时，智能控制器18会按照预置的向心力公式的计算程序进行计算处理，在LED显示屏25上会分别显示对应钢球质量为nu、m2、m3、π?4和半径为R的四组“向心力理论值”的数值。
[0031]与此同时，在步进电机13通过转盘7带动四个离心导轨3按一定速率V(或者说按调节设定的周期Τ)转动时，四个钢球2将随离心导轨3—道转动作圆周运动，拉绳4对钢球2的拉力即为向心力，拉绳4会同时对拉力传感器5施以相同的拉力(它在数值上与向心力相等)，四个拉力传感器5感应检测的拉力信号将分别由四个蓝牙发送器6发送至蓝牙接收器17，再经向心力数据转换模块输入单片机控制器89S52进行处理后即可在LED显示屏25上对应显示四组“向心力实验值”的数值。
[0032]第三.对比观察:指导学生观察记录四组“向心力理论值”和“向心力实验值”的数据并进行比较分析，即可发现:每组“向心力实验值”的数值都是非常接近于“向心力理论值”的数值。如排除钢球2与离心导轨3之间存在静摩擦力所产生的实验误差，我们完全可以认定:每组“向心力实验值”的数值与“向心力理论值”都是相等的。
[0033]通过上述实验演示即可验证:“物体作圆周运动的向心力与质量成正比”的结论。
[0034]我们还可以再操作调速旋钮24将转速增大一倍后继续进行实验演示作业，这时，在LED显示屏25上会显示出新的“周期Τ”的数值，同时，在LED显示屏25上会分别显示对应钢球质量为m1、m2、m3、m4和半径为R的四组新的“向心力理论值”的数值、新的“向心力实验值”的数值。我们观察到:新的“周期T”的数值减小为原周期值的二分之一，而新的“向心力理论值”数值却增大为原“向心力理论值”的四倍;新的“向心力实验值”数值也同样增大四倍。并且，每组新的“向心力实验值”的数值与新的“向心力理论值”仍是相等的。
[0035]至此，通过上述实验演示也可验证:“物体作圆周运动的向心力与周期的平方成反比”的结论。
[0036]同理，我们也可以采用四个相同质量为m的钢球2放置于四个离心导轨3内并使四个钢球2分别位于不同半径的位置处，将四个相同质量的钢球2位于不同位置的半径分别记为RhR^RhR4,再用拉绳4分别挂装于与之相对应的四个拉力传感器5上。
[0037]按照上述实验演示步骤进行同样的操作，我们同样可以观察到在LED显示屏25上会显示出:四个相同质量的钢球2在不同半径位置作圆周运动的四组“向心力理论值”和“向心力实验值”的数据，进行比较分析后，我们同样发现:每组“向心力实验值”数值与“向心力理论值”都是相等的。
[0038]至此，通过上述实验演示也可完美地验证:“物体作圆周运动的向心力与半径成正比”的结论。
[0039]最后按下清零按键20进行清零操作，即可结束演示实验。
[0040]综上所述，通过上述一系列实验演示表明:本实用新型能清晰直观地展示物体作圆周运动的向心力物理现象并量化揭示向心力物理规律。
[0041]需要说明的是:本实用新型已在教学实践中试用表明:它对引导学生快速理解向心力物理规律的知识内涵进而提高教学质量确实具有明显的技术效果，在中学物理教学科研中有很好的应用前景。
【主权项】
1.一种向心力实验教学演示仪，它包括基座底板(1)、安装于基座底板(I)的步进电机(13)、转盘(7)和连接于转盘(7)的一组离心导轨(3)，所述的转盘(7)连接配装于步进电机(13)的输出轴轴端，其特征在于:在转盘(7)上对应离心导轨(3)的位置处配装有拉力传感器(5)、蓝牙发送器(6)，在步进电机(13)的输出轴上安装遮光板(10)，在基座底板(I)上与遮光板(10)相对应的位置处配装一组对射光电开关(11)，在基座底板(I)前端的演示操作台(23)上配装有智能控制器(18)、人机交互界面和与蓝牙发送器(6)相匹配的蓝牙接收器(17)。2.根据权利要求1所述的向心力实验教学演示仪，其特征在于:所述的人机交互界面由键盘(19)、LED显示屏(25)组成。3.根据权利要求1或2所述的向心力实验教学演示仪，其特征在于:所述的转盘(7)由盘轴(8)固定连接安装于步进电机(13)的输出轴轴端。4.根据权利要求1或2所述的一种向心力实验教学演示仪，其特征在于:在离心导轨(3)的内侧壁面刻划设置有半径标示尺(15)。5.根据权利要求1或2所述的一种向心力实验教学演示仪，其特征在于:在离心导轨(3)的外端设置有挡板(16)。6.根据权利要求1或2所述的一种向心力实验教学演示仪，其特征在于:一组离心导轨(3)的数量为四个并按对称位置固定连接安装于转盘(7)上。7.根据权利要求1或2所述的一种向心力实验教学演示仪，其特征在于:在演示操作台(23)上配装有调速旋钮(24)、清零按键(20)。
【文档编号】G09B23/10GK205722524SQ201521012545
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2015年12月9日
【发明人】李健, 汪志刚, 李富刚, 巩伟, 周丹
【申请人】乐山师范学院
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