本发明涉及一种教学实验仪器，尤其涉及向心力演示与定量验证实验仪。
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、该物体距转轴的距离以及转动周期都有关系，但是，目前还没有看到过转动物体所受到的向心力大小与转动物体的质量、转动物体到转轴的距离以及转动的周期关系的定量验证实验装置，基于此，申请人发明了“向心力演示与定量验证实验仪”装置意义重大，影响深远，它有利于弥补大、中学目前物理实验室仍然缺乏这样一种实验装置的弊端。技术实现要素：为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种向心力演示与定量验证实验仪，可以对转动物体所受到的向心力大小与转动物体质量、转动物体到转轴的距离以及转动周期的关系进行定量验证的实验装置，以有效加深学生对向心力公式的理解。为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：向心力演示与定量验证实验仪，包括驱动电机、控制箱、转动连杆、实验圆片固定架以及透明玻璃筒，所述的驱动电机倒置，其电机转轴朝上，转动连杆安装在电机转轴上；所述转动连杆的至少一端设置有砝码悬挂拉线传动轮，实验圆片固定架设置在电机转轴与砝码悬挂拉线传动轮之间，在实验圆片固定架上悬挂有实验圆片,在转动连杆上设置有刻度尺；所述透明玻璃筒上设置有标尺，在透明玻璃筒内设置有向心力测量弹簧系统，所述向心力测量弹簧系统上端固定在透明玻璃筒顶端，在透明玻璃筒的下端设置有向心力传动轮，在向心力传动轮上设置有向心力拉线，该向心力拉线一端连接向心力测量弹簧系统，另一端绕过向心力传动轮与实验圆片一侧连接，与弹簧系统端连接的竖直向心力拉线与电机转轴的中心处于同一铅垂线上；所述砝码悬挂拉线传动轮上绕设有向心力砝码悬挂拉线，所述向心力砝码悬挂拉线一端与实验圆片另一侧连接，向心力砝码悬挂拉线的另一端设置有砝码挂钩；在实验圆片悬挂线处于铅垂状态时，向心力拉线与向心力砝码悬挂拉线的水平段处于同一水平线上。作为优选，所述向心力测量弹簧系统包括弹簧和微尺筒，所述微尺筒内套于透明玻璃筒内部且可无摩擦相对上下移动，在微尺筒上设置有微尺筒微尺，向心力拉线与微尺筒上端盖的中心处连接。作为优选，所述微尺筒上端盖中心安装有一拉线方位转动装置，所述拉线方位转动装置包括滚动转动球轴以及设置在其内的方位转动球，所述向心力拉线的一端与方位转动球的正下部连接。作为优选，所述转动连杆的至少一端设置有拉线穿孔，向心力砝码悬挂拉线的另一端穿过拉线穿孔。作为优选，所述透明玻璃筒上的标尺总长度为30cm，标尺上相邻两长线之间间距2cm，相邻两长线之间设有4短线，4根短线将相邻两长线之间的间距5等分，每等分4mm；所述微尺筒微尺的10格长度与标尺的9格长度相等，微尺筒微尺每格0.4mm。作为优选，所述转动连杆上刻度尺的0刻度线与电机转轴的中心线重合，所述实验圆片固定架滑动设置在转动连杆上。作为优选，所述实验圆片固定架下端设置有固定架微尺，所述刻度尺上9mm长度与固定架微尺的10格等长，固定架微尺每格0.1mm。作为优选，所述向心力演示与定量验证实验仪还包括外壳，所述外壳包括箱体、左右侧壁、后壁和顶板，驱动电机设置在箱体的中心处，控制箱设置在箱体的一侧，控制箱与驱动电机之间通过控制线控制连接。作为优选，所述向心力演示与定量验证实验仪还设置有水平调节装置，所述水平调节装置包括设置在箱体底部的三个可调节支撑腿以及设置在箱体上表面的调节水平泡。与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供了一种向心力演示与定量验证实验仪，可以对转动物体所受到的向心力大小与转动物体质量、转动物体到转轴的距离以及转动的周期关系进行定量验证的实验装置，有利于加深学生对向心力公式的深度理解。附图说明图1是实施例中向心力演示与定量验证实验仪的结构示意图。图2是电机转轴、转动连杆固定与相关连接正视图。图3是转动连杆结构俯视图。图4是实验圆片支撑架相关结构侧视图。图5是实验圆片支撑架相关结构正视图。图6是实验圆片结构示意图。图7是弹簧与弹簧伸长量标尺系统正视图。图8是向心力测量弹簧系统结构示意图。图9是弹簧伸长前后正视图。图10是取掉砝码挂钩实验圆片被弹簧拉回状态示意图。图11是实验圆片加速产生合适向心力末状态。图12是透明玻璃筒端微尺精度示意图。图13是转动连杆端微尺精度示意图。图14是控制箱的结构示意图。图15是向心力指向示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。如图1所示的向心力演示与定量验证实验仪，包括外壳，所述外壳包括箱体4、左右侧壁13、后壁14、顶板15、三个可调节支撑腿1以及调节水平泡4-1。三个可调节支撑腿1呈三角形设置在箱体4的底部，调节水平泡4-1设置在箱体4的上表面，可调节支撑腿1和调节水平泡4-1共同构成该设备的水平调节装置。在箱体4的中心处设置有驱动电机3，该驱动电机3倒置，其电机转轴3-0竖直朝上，在电机转轴3-0上安装有转动连杆8。在箱体4的一侧设置有控制箱5，控制箱5与驱动电机3之间通过控制线5-0控制连接。在转动连杆8两端设置有砝码悬挂拉线传动轮安装孔8-6和拉线穿孔8-4，转动连杆8的中心处设置有中心穿孔9(如图3所示)，转动连杆8通过中心穿孔9采用大头平面螺丝3-1固定在驱动电机3的电机转轴3-0上，在大头平面螺丝3-1的上表面上通过传动轮支架固定螺丝7-1固定有传动轮支架7，该传动轮支架7上安装有向心力传动轮7-2，向心力传动轮7-2一侧的竖直切线与电机轴承3-0的中心线重合。在砝码悬挂拉线传动轮安装孔8-6上通过砝码悬挂端传动轮架固定螺丝8-2固定有砝码悬挂拉线传动轮架8-1，其上安装有砝码悬挂拉线传动轮8-3(如图2所示)。在转动连杆8上砝码悬挂拉线传动轮8-3和电机转轴3-0之间滑动安装有实验圆片固定架16，在实验圆片固定架16上通过固定拉绳16-1悬挂有实验圆片16-2(如图2所示)。在转动连杆8上设置有刻度尺，转动连杆8上的刻度尺的0刻度线与电机转轴3-0的中心线重合。在实验圆片固定架16下端设置有固定架微尺16-0，实验圆片16-2上设置有实验圆片挂钩16-5、实验圆片左挂钩16-3、实验圆片右挂钩16-4，在实验圆片16-2的中心处开设有通孔，该通孔可用于安装实验圆片添加片螺轴16-20，在实验圆片添加片螺轴16-20上可以根据需要添加实验圆片添加片16-21。在实验圆片固定架16下端还设置有实验圆片固定架固定螺丝16-22用于定位实验圆片固定架16(如图4～图6所示)。在顶板15下底面的中心处安装有透明玻璃筒10，该透明玻璃筒10的中轴线与电机转轴3-0的中心线重合，在透明玻璃筒10上设置有标尺10-1。在透明玻璃筒10内设置有向心力测量弹簧系统11，所述向心力测量弹簧系统11上端固定在透明玻璃筒10顶端。向心力测量弹簧系统11包括弹簧11-0和微尺筒11-3，微尺筒11-3内套于透明玻璃筒10内部且可无摩擦相对上下移动，在微尺筒11-3上设置有微尺筒微尺11-4(如图7所示)。在微尺筒11-3上端盖中心安装有一拉线方位转动装置11-2，该拉线方位转动装置11-2包括滚动转动球轴11-2-2以及设置在其内的方位转动球11-2-1，方位转动球11-2-1的正下部与向心力拉线6-0的一端连接(如图8所示)。向心力拉线6-0另一端绕过向心力传动轮7-2后与实验圆片右挂钩16-4相连，实验圆片左挂钩16-3与向心力砝码悬挂拉线6-1的一端连接，向心力砝码悬挂拉线6-1的另一端绕过砝码悬挂拉线传动轮8-3并穿过拉线穿孔8-4，向心力砝码悬挂拉线6-1的另一端设置有砝码挂钩8-5，在砝码挂钩8-5上可根据需要悬挂不同质量的砝码(以上情况为实验圆片固定架16设置在电机转轴3-0左侧的情况，当实验圆片固定架16设置在电机转轴3-0右侧，只需做简单修改即可)。在实验圆片16-2悬挂线处于铅垂状态时，向心力拉线6-0的水平段与向心力砝码悬挂拉线6-1处于同一水平线上。如图12所示，透明玻璃筒10上的标尺10-1总长度为30cm，标尺10-1上相邻两长线之间间距2cm，相邻两长线之间设有4短线，4根短线将相邻两长线之间的间距5等分，每等分4mm；所述微尺筒微尺11-4的10格长度与标尺10-1的9格长度相等，这样微尺筒微尺11-4的每格就代表0.04cm，也就是说该标尺系统的精度为0.04cm。如图13所示，转动连杆8上的刻度尺9mm长度与固定架微尺16-0的10格等长，即把1mm分配到固定架微尺16-0上的10格中，这样固定架微尺16-0上每格就为0.1mm，即转动连杆8上的标尺系统精度为0.1mm。采用本发明所述的向心力演示与定量验证实验仪来进行转动物体所受到的向心力大小与转动物体质量、转动物体到转轴的距离以及转动的周期关系进行定量验证的实验，其实验操作步骤如下所述：一、调节步骤。1.调节底座水平。调节三个可调节支撑腿1，使之，箱体4上表面的水平泡4-1处于圆圈中间。2.接通控制箱5与驱动电机3之间的控制线5-0，并接通电源(如图1所示)。3.微调传动轮支架7的位置，使得向心力拉线6-0的竖直段与电机转轴3-0的轴线(中心线)重合，锁紧传动轮支架固定螺丝7-1(如图2所示)。4.选择实验圆片16-2，把实验圆片固定架16固定在转动连杆8上的相应位置处，把实验圆片上挂钩16-5悬挂在固定拉绳16-1上，把实验圆片右挂钩16-4与向心力拉线6-0连接，把实验圆片左挂钩16-3与向心力砝码悬挂拉线6-1连接(如图2所示)。5.调节砝码悬挂拉线传动轮架8-1的高低，同时调节固定拉绳16-1的长短，使得向心力拉线6-0的水平段与向心力砝码悬挂拉线6-1处于同一水平线上，锁紧砝码悬挂端传动轮架固定螺丝8-2(如图2所示)。6.在砝码挂钩8-5上悬挂砝码，在透明玻璃筒10上的标尺10-1和微尺筒微尺11-4上读出悬挂砝码前后对应的刻度x1、x2，得弹簧伸长量δx＝x2-x1，则砝码重力(向心力)为f＝k·δx(如图9所示)。7.调节实验圆片(质量块)16-2的悬挂位置，使之，实验圆片(质量块)16-2的固定拉绳16-1处于铅直状态(即与实验圆片固定架16后背ok线重合)，此时，实验圆片16-2的质心位置刻度(即实验圆片16-2质心与电机转轴3-0的轴线距离)为r(如图2所示)。8.取掉砝码挂钩8-5及向心力砝码悬挂拉线6-1，此时，弹簧11-0恢复到初始位置，微尺筒11-3上移，恢复至初始读数x1，此时实验圆片所处状态如图10所示(如图9、10所示)。9.对控制箱5进行设置：转动旋钮5-3设定向心力转动连杆8转动n圈(即电机3转动n周)，在荧光屏5-5上会显示n，按动控制箱5按钮5-1接通电机3电源，电机3开始转动，观察实验圆片16-2位置以及微尺筒11-3上的微尺筒微尺11-4的0刻度线位置，调节电机加速与减速旋钮5-7，使之固定拉绳16-1与实验圆片固定架16后背的ok线重合，同时，微尺筒11-3上的微尺筒微尺11-4的的0刻线指示位置为x2(如图9、11所示)。10.在微尺筒11-3上的微尺筒微尺11-4的0刻线指示位置为x2时，停止调节电机加速与减速旋钮5-7，按下计时开始与结束按钮5-4开始计时，待电机5完成转动n圈后，会自动停止计时，显示屏5-6上会显示总时间t，设电机5转动周期为t，则nt＝t，周期t＝t/n。二、实验记录与计算实验1：实验圆片的转动半径r与实验圆片的质量m固定时，探讨旋转周期t与向心力f之关系：1、实验圆片转动半径r与实验圆片质量m固定时，探讨转动周期t与向心力f的关系次数m(g)mg(n)10t(s)t(s)1/t2(1/s2)m′＝ft2/4π2r123注：m为挂钩与砝码的总质量。(1)实验圆片转动半径(2)实验圆片(视为质点)质量的实验值质量m的百分误差实验2：实验圆片的转动半径r与向心力f(即砝码与挂钩重力)固定时，探讨转动周期t与实验圆片的质量m的关系2、实验圆片转动半径r与向心力f(即砝码与挂钩重力mg)固定时，探讨转动周期t与实验圆片的质量m之关系次数m(kg)10t(s)t(s)f′＝4π2rm/t2123(1)实验圆片转动半径(2)挂钩与砝码的总质量(3)向心力的实验值(4)向心力f的百分误差实验3：向心力(f)与实验圆片(质量块)的质量m固定时，探讨实验圆片转动周期t与实验圆片转动半径r的关系3、向心力f与质点的质量m固定时，探讨旋转周期t与半径r的关系次数半径r(mm)10t(s)周期t(s)t2(s2)f′＝(4π2m/t2)r123(1)实验圆片(视为质点)的质量(2)挂钩与砝码的总质量向心力mg；(3)向心力的实验值(4)向心力f的百分误差三、注意与说明：(1)实验完毕后，应取下实验圆片，以避免弹簧的弹性疲乏；(2)向心力大小f可以通过添加砝码个数来实现，向心力大小f(挂钩与砝码的总重力)可以通过弹簧的伸长量来计算，计算采用胡克定律：f＝k·δx(δx为弹簧伸长量)；(3)实验圆片(质量块)的质量为m，质量块的质量可以改变，改变的方法是，将不同质量的实验圆片添加片16-21安装在实验圆片添加片螺轴16-20上来实现，如图(6)所示；(4)实验圆片转动半径r是指实验圆片质心到转轴之间的距离，也就是实验圆片质心铅垂线对应转动连杆上的刻度。四、实验原理一质点作等速率圆周运动时，其速度大小虽然不变，但其速度的方向却在不断地变化着，因此，是一种加速运动，一质点在绕其半径r运动速率为v，则理论上向心加速度大小为ar＝v2/r......(1)作匀速圆周运动一周所用时间t，质点转一圈所走路程2πr，因此，质点运动速率v＝2πr/t......(2)将(2)式代入(1)式，则向心加速度可写成ar＝v2/r＝4π2r/t2......(3)质点在作圆周运动过程中，其速率与加速度是保持不变的，从图中可以明显地看出来，其方向却在不断地变化着，速度的方向与圆周相切，加速度的方向指向圆心。如图(15)所示。1、向心力公式导出依据牛顿第二定律f＝ma，当质量为m的质点作加速运动时，必然有一力作用在质点上，即产生向心加速度的向心力f＝ma＝m·v2/r＝m·4π2r/t2......(4)向心加速度的方向与向心力的方向相同，在任何时刻均指向圆心。在此实验作匀速圆周运动的质点为一实验圆片(质量块)，可约为50克、100克、150克、200克等，向心力实验值大小为向心力转动连杆末端所悬挂的砝码与挂钩总质量约为m(30克)，即向心力为f＝mg(此实验装置可通过弹簧伸长量δx，采用胡克定律f＝k·δx计算)2、向心力f与质点质量m固定时，探讨转动周期t与转动半径r之关系由(4)式t2＝(4π2m/f)·r......(5)上式显示当向心力f＝mg与质点质量m固定时，周期的平方(t2)与转动半径r成正比，其比值为4π2m/f，作t2与r的关系曲线，可知其斜率k＝4π2m/f，则向心力:f＝4π2m/k......(6)本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属
技术领域：
的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。当前第1页12