本实用新型一般涉及一种物理实验装置，特别是一种验证物体作圆周运动时电动向心力公式验证演示仪。
背景技术：
在物理实验装置中，尤其是力学实验装置中，经常要涉及根据向心力公式F向=mω2R，测定不同质量、不同半径、不同转速条件下物体作圆周运动时向心力的大小。在物理教学中使用电动向心力公式验证演示实验仪可以达到以下三个教学目的:
1) 达到使学生直观了解什么是匀速圆周运动，物体作匀速圆周运动时向心力大小与哪些因素有关，帮助教师完成对向心力公式中各物理量进行定性演示的目的。
2) 通过实验验证达到使学生深刻理解向心力公式F向=mω2R的目的，帮助教师完成定量验证向心力公式的演示任务。
3) 达到帮助师生共同用实验方法验证向心力公式，完成对向心力公式进行定量探究的目的。
公知的电动向心力定量分析演示仪存在的主要不足：
大家知道，F向=mω2R中各量之间的关系，是在物体转动情况下存在的瞬时关系。困难的是，一旦物体转动起来(特别是转快了时)，我们就很难直接观察得到F、R的大小，显然，原有的一些向心力演示器都遇到了这个困难。目前用电动的方法来定量演示向心力公式F向=mω2R的演示仪器较多，但这些电动向心力演示仪在转动半径测量和向心力大小测量装置设计上都存在一些不足，在《实验教学与仪器》2009年4期刊登了“一种定量探究向心力相关因素的实验装置”，该仪器为了测量动态下物体作圆周运动的半径R，采用的是碰撞定位器来定位转动半径的大小。首先该装置的定位结构有些复杂，在实验过程中必须仔细移动碰撞定位器才能使定位器动作，操作困难；第二点不足之处是原有的向心力演示装置的的研究对象为一盒体，研究对象质量的改变是通过加减盒体内的砝码来实现。这种装置在演示向心力时研究对象的质心会随着盒内砝码的加减而会随之改变，通过碰撞定位装置测出的转动半径就会随砝码质量的改变而产生误差；第三点不足之处是研究对象和自动平衡块在带标尺的旋转臂上运动的形式是滑动，滑动产生的摩擦阻力较大会对定量分析向心力产生较大的误差。另外在《物理通报》1998年8期上刊登了一篇“验证向心力公式演示器”的文章，该仪器采用双圆锥摆来验证向心力公式,仪器为了测量圆锥摆的摆角是利用固定在竖轴上的一个半圆形的刻度尺来进行测量。刻度尺的圆心,位于竖轴的两个圆锥摆摆线的交点上。在刻度尺的中间竖轴两边各有一条纵向细缝,摆线分别在两细缝中通过,刻度尺的细缝边上有刻度。竖轴两边的刻度尺上各有一个游标，竖轴转动时摆角增大,两摆线分别沿细缝远离竖轴,向外移动,两个游标就在摆线的推动下,沿半圆形刻度尺远离竖轴移动，停止转动后游标就停留在原处，通过刻度尺就可测出摆角大小。很明显这种装置结构复杂，摆角测量困难。
中国实用新型专利，专利号为：CN89215144.7公开了一种向心力演示器，该演示器的结构和上面两种电动向心力演示器相似，也是通过调速器改变电机转速ω。平衡重物和作圆周运动的重物上方装有滚轮，滚轮的中部有弧形凹槽以便重物在横杆上滑动。演示器的机壳内装有半径放大显示装置和向心力放大显示装置来测量动态下重物作圆周运动的半径和向心力。但该演示器也存在一些不足：第一，物体作圆周运动时m的改变也是通过向砝码盘内加减砝码来实现，m改变砝码盘的质心也随之改变，测出的转动半径就会随砝码质量m的改变而产生误差；第二，演示器只有调速装置没有速度测量装置，只能定性演示向心力随ω改变，不能定量演示ω与向心力F的关系；第三，演示器虽然在机壳内装有半径放大显示装置和向心力放大显示装置来测量动态下重物作圆周运动的半径和向心力，但测量是在动态下进行测量不方便也不准确。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一个能克服公知技术缺点，能对向心力公式F向=mω2R中的各个物理量进行准确测量，能将动态下的与向心力(F)有关的几个物理量(m、R、ω)准确无误地去进行观察和测量，去验证向心力的公式，从而完成定性演示向心力和定量研究向心力公式的教学任务。
为实现上述目的，本实用新型的方案为：电动向心力公式验证演示实验仪，其特征在于：设一底座，在底座上安装有带横梁的立柱，调速直流电机和光电门安装在横梁上，挡光杆安装在调速直流电机转轴的连接器上，与光电门配合发送光电信号，在调速直流电机连接器的轴端沿中心固定一根线，线的另端部吊有一金属小球，在底座上安装有一滑槽正对立柱安装在底座的前端，一个与滑槽移动配合的激光器支架安装在滑槽中，支架内装有线性激光器，一个与线性激光器配合的有机玻璃刻度尺在激光器前面且处于电机中心线下方。
进一步的方案为：有机玻璃刻度尺安装在立柱和滑槽之间。
本实用新型的实验原理如图2所示，小球做匀速圆周运动的向心力是小球的重力与细线的拉力的合力。
F合=Mgtanα （1）
其中：α为圆锥摆的摆角。
小球做匀速圆周运动的向心力
F向=MRω2 （2）
如果向心力公式成立,则有
Mgtanα=MRω2 （3）
实验中测出圆锥摆的摆长L,测出角速度ω和小球作匀速圆周运动的半径R，在摆长L、半径R和竖轴围成的直角三角形中,知道R和L利用下面的公式就可算出tanα。
测出数据代入（5）式,经过计算,看在误差允许范围内等式是否成立,若成立就能达到验证向心力公式的目的。
采用方案所述装置是在动态下测量与向心力公式中有关的各个物理量，测量准确方便，仪器能很好地完成定性演示向心力大小与那些因素有关和定量验证向心力公式的教学任务，测量误差小，从而实现了本发明的目的。
下面结合图示及实施例对方案作更详细的说明。
附图说明
图1为电动向心力公式验证演示实验仪；
图2为图1实验仪原理图。
图示中编号为：演示仪底座1，滑槽2，线性激光器3，激光器支架4，有机玻璃刻度尺5，金属小球6，细线7，连接器8，
调速直流电机9，光电门10，挡光杆11，立柱12，光电计时周期测量仪13，可调直流电源14。
具体实施方式
附图1为所述的电动向心力公式验证演示实验仪， 1为演示仪的底座，上面安装有带横梁的立柱12；调速直流电机9安装在立柱的横梁上，电动机的调速由可调直流电源14通过调压的方式实现，电机转速改变时与向心力有关的物理量ω随之改变。光电计时周期测量仪13的光电门10也安装固定在立柱的横梁上，挡光杆11安装在电机连接器8上，所述的连接器为一轴套，用螺钉将连接器固定在电机轴端上，挡光杆11通过螺纹与连接器螺孔连接，当电机旋转时，电机旋转的ω可通过测得的电机旋转周期T计算得出。悬挂金属小球6的细线7的长度，本实施例为300mm，金属小球6的质量m有大、中、小三种规格，质量已知，可验证质量大小与向心力的关系。为了动态测量小球作匀速圆周运动时小球的旋转半径R，在底板的前端安装有滑槽2，线性激光器3安装固定在激光器支架4上，为了动态定位小球作匀速圆周运动时小球的旋转半径，激光器的支架可在滑槽中左右滑动，当定位准确后可通过有机玻璃刻度尺5测出此时小球作匀速圆周运动的半径R，所述的有机玻璃刻度尺安装在立柱12和滑槽2之间，立式安装的刻度尺面与电机轴端中心线重合，测试过程为线性激光器的线性激光束同时打在标尺的表面和金属小球上时定位得到小球旋转半径，读出标尺刻度，将测得的数据代入公式（5），根据当地的重力加速度的值计算g的测量误差，若在误差允许的范围内说明向心力的公式（2）成立。利用设计的实验装置进行实验测得的实验数据见表1。
重力加速度g的值,随纬度的变化规律,可查阅相关资料,在中学物理教学中,取g=9.8m/s-2就足够了。
本实验装置的优点在于：
（1）采用圆锥摆来验证向心力公式和教材原理图一致，学生理解容易，仪器结构也简单,可见度大.稳定性好,角速度测量直接用数字光电周期测量仪测周期计算得出，结果精确高，误差小,是取代现教材上验证向心力公式的理想方法，利用本仪器还可以测定重力加速度。
（2）调节电机转速，可验证小球旋转速度越快，测得的R越大，说明小球作匀速圆周运动所需的向心力越大，通过调压调速使小球转速调节非常方便。
（3）保持电机转速不变，改变金属小球的质量m，可观察到小球质量不同，测得的R也不相同，说明向心力大小与物体质量M有关。
（4）测量小球作匀速圆周运动时的半径是利用线性激光器和刻度尺配合来进行测量，由于是利用激光来定位小球作匀速圆周运动的半径所以测量方便，是在动态下进行测量，测量结果准确，克服了以往一些装置半径测量定位不准、测量困难的不足。
通过表1的实验数据可以看出，在测量相对误差的允许范围内，小球做匀速圆周运动的向心力就是小球的重力与细线的拉力的合力，所以改进后的电动向心力公式验证演示实验仪能对向心力公式进行很好的演示和验证。