专利名称：：重力圆周动力仪的制作方法
技术领域：
：本实用新型是应用于高中一年级物理动力学部分教学的教具。技术背景目前普通高中与职业学校物理课程中动力学部分使用的是定性演示物体运动与力相互关系的教具，缺少定量演示物体运动与力的相互关系的教具，教学效果很受影响
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种重力圆周动力仪，该重力圆周动力仪能既定性又能定量直观演示物体运动与力、机械能甚至功率、机械效率的相互关系，能提高教学效果，以弥补现有高中物理动力学部分教学使用的实验仪器只能定性演示物体运动与力的相互关系的不足。为了解决上述问题，本实用新型采用了以下技术方案。一种重力圆周动力仪，包括绕竖直轴旋转的圆或抛物线形的旋转体及其上的被测物体小球m，其特征在于还包括通过固定装置与被测物体相连接的测力装置、测速装置、动力装置。所述的测力装置由与动力装置并联的测力电源、设在旋转体中心上的电位器、设在竖直旋转轴上的电刷、电流表A,以及串联电阻通过导线连接组成。所述的测力电源由一个电容和两个二极管通过导线连接组成的稳流直流电源；电流表A与旋转体上的测力电位器通过导线并联后与稳流直流电源相接。所述的测速装置由通过导线连接的设在竖直旋转轴上的测速电机、电流表A2组成；所述的动力装置由通过电源线连接的单相交流电动机及调速开关组成。固定装置为一圆形空间支架，用以固定竖直旋转轴及安装测力装置、测速装置、动力装置并保证仪器平稳运转；旋转体为悬挂式或托盘式。下面以圆形悬挂式旋转体为例来详细说明当旋转体绕竖直轴由静止开始旋转时，它上面的被测物体小球m将随之一起转动，一方面转动速度co被设在旋转轴上的测速电机及其测速电路记录下来并在电流表A2上显示出来；另一方面小球m将在重力与离心力的共同作用下在竖直面内沿圆周向上作圆周运动并通过连杆带动旋转体竖直面上旋转中心处安装的测力电位器转动a角，(电阻变化引起测力电路的电流变化)a数据在电流表A,显示出来。当转动速度co一定时，a—定，小球m在竖直面上处于相对静止状态(既不上升也不下滑)。根据平面几何知识，此时的a值正等于小球m向斜上方运动倾角大小，再根据静力学中共点力的平衡条件，此时小球m在斜面上的受力状态为fl=-f2,fl=mgsina，f2=mra)2cosa。通过fl=-f2导出tana=a/g，(a=ro)2)a=gtana(a为离心加速度)，a与tana相联系，tana又与a/g、r=Rsina相联系而与离心加速度a、r联系在一起。反过来又与运动要素(o、V、及h、R、W、Ep相互联系。在众多的联系中tana-a/g是最关键的联系，是本实用新型的理论基础，所以是本实用新型的核心技术。tana是所有函数(图像)的导函数(切线斜率)，对抛物线、椭圆等其它函数(图像)的旋转体均适用。将a所对应的电流表A,示数,用它的正切值(tana-a/g)在电流表A,中标定出来(是模拟显示，将此模拟信号转为数字信号并与计算器中的正切函数程序相接为数字显示。)，此值正是此时小球m离心加速度的重力倍数。此时小球m的旋转半径r=Rsina的值也可在电流表A中tana处标定。同理，根据aso)2，Q)^a/r再开平方，V=rco(V是线速度)计算出a所对应co与V(线速度)值，在测速电流表A2上标定出来。同样，知道线速度V和小球m质量以及小球m的移动高度h=R(1-cosa),可以计算出此刻小球m的势能Ep=mgh动能W=mv2/2，并在测速表八2对应的a>与V值处标定。这样，有了小球m的运动状态Q)、v、r与受力状态a、g，以及能量状态W与Ep就充分证实演示了F-mrc^或F-mvVr以及①、v、r、a之间与动能W势能Ep相互关系。同理，当交流电动机带动圆形旋转体加速旋转时，小球m继续上升，a将增大，又一组co、v、r、a，W与Ep数据在A。A2中标定出来。由于圆上正切函数的特征，建议tana的值从0标到10，从2开始只标整数，小于2的标到一位小数。tana=a/g=10就表明本实用新型最大能演示10g的离心加速度，当R=0.1米，小球m质量-0.03千克时，离心力仅有约3牛，相当地球上0.3千克的重量，转速约有IO兀个弧度左右(5周)/S，线速度有3.1米/S，只要离心加速度a不超过10g保证安全可靠。本实用新型有益效果形象直观的定量演示作圆周运动的物体运动与力及能量的相互关系，如果在动力电源线接入一个交流电流表还可演示功率与机械效率，同时还涉及一些数学问题，对提高教学效果，开发学生智力，培养能力，实行素质教育大有益处。图1是本实用新型的悬挂式结构示意图。图2本实用新型的托盘式结构示意图。图3本实用新型的原理图。具体实施方式下面结合实施例进一步说明本实用新型。如图l、2、3所示，实施例包括绕竖直轴旋转的抛物线形的旋转体6及其上的被测物体小球m1,其特征在于还包括通过固定装置5与被测物体1相连接的测力装置2、测速装置3、动力装置4。固定装置5为一圆形空间支架；旋转体6为悬挂式。测力装置2由与动力装置4并联的测力电源12、设在旋转体6中心上的lk欧姆电位器9、设在竖直旋转轴上的电刷11、电流表A,10以及串联电阻15和通过导线连接组成。测力电源12由一个47nJV630V电容和两个1N4007二极管组成的0.0015安的稳流直流电源；电流表AilO满刻度电流0.001安，内阻300欧姆，与旋转体上的lk欧姆测力电位器9通过导线并联后与稳流直流电源相接。测速装置3由通过导线连接的设在竖直旋转轴上的测速电机7RF—300CBQF051016T(录音机磁带直流电机)、电流表八28及导线组成。动力装置4由通过电源线连接的220伏40瓦的吊扇用单相交流电动机13及调速开关14组成。接通220V交流电源，首先闭合测力电源开关16(调速开关关闭)，调整电位器9确保动力仪静止时电流表AJ0指针归零，由于圆上正切函数的特性，tana大于2的点高度集中，A,10逆时针旋转可稍加缓解，故规定满刻度为零(表针倒着走)。然后，用手向上在圆周上移动小球ml，仔细观察圆心角变化，根据主要(x(tanct-l---10以及小于2的一位小数、r用厘米表示的整数点)动力学数据—览表(表l)，由小到大逐个标定测力电流表A,10的a与r值。a以g为单位用tancx表示(a-gtana)，保留一位小数。r用厘米表示保留一位小数。例如『31度时tana-0.6，r=5.2，a-52.5度时tana=1.4，r=8.0。电流表A!10的37个数据标定完毕后标定测速电流表A28。方法是先将仪器放置平稳，打开调速开关14缓慢调节开关旋钮。旋转体6在电动机13驱动下绕竖直轴缓慢加速旋转，当A,IO指针接近tana或r的某一点时，仔细调节调速开关旋钮使指针稳定在tana或r点处，根据主要a动力学数据一览表(表1),在A28上标定对应的co、v、W、Ep值。如a-52.5度时测力电流表A"0上tana-1.4、r=8.0;A28应标定=4.1，V-1.0Ep==0.0119W-0馬0。继续调整转速，将A，上t亂r的37个点在A2上所对应的co、v、W、Ep值全部标定完毕。单位为兀弧度/S,V的单位为米/S，W与Ep为焦耳(W与Ep数量级跨度较大可用科学计数法标定)。根据这些单位规定，整饰A。A2表盘数字，整数用半径方向的短线和阿拉伯数字标注，小数用小黑点儿标注。用内插法找出r、W、Ep缺少的整数和一位小数位置并标定。标定标注完毕后，只要各装置电路连接良好旋转体平稳转动，ApA2就会出现准确的对应数字，定量演示运动、力与机械能。表h主要a动力学数据一览表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>权利要求1、一种重力圆周动力仪，包括绕竖直轴旋转的圆或抛物线形的旋转体(6)及其上的被测物体小球m(1)，其特征在于还包括通过固定装置(5)与被测物体小球(1)相连接的测力装置(2)、测速装置(3)、动力装置(4)。2、如权利要求1所述的重力圆周动力仪，其特征在于测力装置(2)由与动力装置(4)并联的测力电源(12)、设在旋转体(6)中心上的电位器(9)、设在竖直旋转轴上的电刷(11)、电流表A1(10)以及串联电阻(15)通过导线连接组成。3、如权利要求2所述的重力圆周动力仪，其特征在于测力电源(12)由一个电容和两个二极管通过导线连接组成的稳流直流电源；电流表A"10)与旋转体上的测力电位器(9)通过导线并联后与稳流直流电源相接。4、如权利要求1、2或3所述的重力圆周动力仪，其特征在于测速装置(3)由通过导线连接的设在竖直旋转轴上的测速电机(7)、电流表A2(8)组成。5、如权利要求1、2或3所述的重力圆周动力仪，其特征在于动力装置(4)由通过电源线连接的单相交流电动机(B)及调速开关(14)组成。6、如权利要求4述的重力圆周动力仪，其特征在于动力装置(4)由通过电源线连接的单相交流电动机(13)及调速开关(14)组成。7、如权利要求1所述的重力圆周动力仪，其特征在于固定装置(5)为一空间支架；旋转体(6)为悬挂式或托盘式。专利摘要一种重力圆周动力仪，包括绕竖直轴旋转的圆或抛物线形的旋转体(6)及其上的被测物体小球m(1)，其特征在于还包括通过固定装置(5)与被测物体小球(1)相连接的测力装置(2)、测速装置(3)、动力装置(4)。本实用新型为高中物理动力学部分教学提供一台定量直观演示圆周运动的物体的角速度、线速度、旋转半径、上升高度、加速度、动能、势能甚至功率与机械效率相互关系的教具。文档编号G09B23/00GK201188280SQ20082000517公开日2009年1月28日申请日期2008年3月10日优先权日2008年3月10日发明者羽张申请人:羽张