一种空间站与地面圆周运动对比演示装置的制作方法

1.本发明涉及物理实验设备，尤其涉及微重力下的圆周运动演示装置。


背景技术：

2.重力场中的圆周运动同时受到向心力和重力的作用，相关圆周运动和向心力的测量、演示装置都要考虑到从重力和向心力的合力中“分离出”向心力；习惯了这种复杂思路，对于空间站中的圆周运动和向心力测量反而会有思维惯性的不适；由繁到简往往是去伪存真，是抓住事物本质的需求，思维的批判性需要这种由繁到简地去伪存真。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：提供一种空间站与地面圆周运动对比演示的装置，将这样完全相同的装置放在空间站和地面，在进行相同地操作前，先让学生预测空间站和地面上会有怎样不同的结果，然后进行演示，观察结果，再进行受力分析，培养学生打破思维惯性，抓住事物本质，分析受力结果的能力。
4.为解决上述问题，本发明所采取的技术方案为：一种空间站与地面圆周运动对比演示装置，包含有支架、电机、球体、指针，其特征在于：由支架、电机、球体、球柄、指针、条形弹簧、刻度盘组成；
5.所述支架上方有电机轴开口，所述电机固定在支架上，电机转动轴竖直方向穿过所述电机轴开口；
6.所述条形弹簧为矩形弹性片，两端轴线处分别有与弹性片矩形面垂直的上挂杆和下挂杆，上挂杆与电机轴垂直连接，下挂杆与指针垂直连接，电机轴、指针在同一铅垂线上，并且所在铅垂线与弹性片矩形面平行；条形弹簧的下端还有挂钩，挂钩上挂有球体；
7.所述球体上有螺纹孔和拉线环，一端带有悬挂孔，另一端带有螺纹的轻质铝合金球柄旋入球体螺纹孔与球体连接；
8.所述球柄上的悬挂孔套在条形弹簧下端的挂钩上，将球体悬挂在弹簧上；
9.所述刻度盘是一球冠状曲面，底面向上，高线与电机轴线重合，当刻度盘绕着其高线旋转时，在弹簧下端挂钩处挂上球体且从球体拉线环上施加变化的、与上挂杆平行的拉力的动态过程中，指针针尖与其内侧面距离相等；
10.所述指针在静止状态下指向球冠状曲面的顶点，指针针尖与球冠状曲面的距离在1mm至10mm之间；
11.所述刻度盘内侧面上刻画有读数线，所述读数线均为圆，圆心均在高线上，都与底面圆平行；相邻的读数线颜色不同。
12.优选地，所述电机受控制器控制可变速并显示转速。
13.优选地，所述刻度盘上的读数线以5种不同颜色轮流着色，各读数线分别标记指针指向该读数线时对应的拉线环处水平拉力的数据和球体重心到电机轴线所在铅垂线的距离，也就是旋转状态下的向心力和圆周运动的半径。
14.本发明所取得的有益效果是：将本发明所述的两个完全相同的演示装置分别在空间站和地面进行相同的操作，可以看到：
①
.电机启动前，让空间站中的球柄与指针平行，和地面上的静止状态相同；当电机从启动到一个固定转速的过程中，地面上的球体在旋转的同时上升，使球柄的旋转面与铅垂线成一小于90
°
的夹角，但是，空间站中的球体在旋转的同时迅速上升，使球柄的旋转面与“铅垂线”垂直；
②
.当电机以不同的转速转动时，地面上的球柄旋转面与铅垂线会有不同的夹角，而空间站中的球柄旋转面无论转速大小始终与“铅垂线”垂直；
③
.当地面和空间站中的演示装置以相同的转速稳定地转动时，由于地面上球体圆周运动的半径小于空间站中球体圆周运动的半径，所以，地面上指针指示的向心力也小于空间站中指针指示是向心力；从而验证向心力公式f＝mω2r在角速度一定时向心力与半径成正比的关系；
④
.当电机减速至停止转动的过程中，地面上的球柄旋转面与铅垂线夹角减小至零，恢复到转动前的状态，而空间站中的球柄旋转面在减速过程中始终与“铅垂线”垂直，停止转动时还“漂浮”在转动时的高度。整个实验在提问、预测、操作、观察、分析的过程中进行，能够极大地激发学生思考、观察、分析的兴趣和能力。
附图说明
15.图1为本发明结构示意图；图中，1.电机，2.电机轴，3.下挂杆，4.上挂杆，5.条形弹簧，6.悬挂孔，7.球柄，8.拉线环，9.球体，10.指针，11.刻度盘，12.支架。
16.图2为本发明地面装置和空间站装置在实验前的共同状态示意图。
17.图3为本发明地面装置在转动过程中的状态示意图。
18.图4为本发明空间站装置在转动过程中的状态示意图。
19.图5为本发明在地面上制作刻度盘读数线的示意图。
具体实施方式
20.下面结合本发明的实施例进一步清楚地说明本发明的技术方案：
21.如图1所示，用长方体框架作为支架，在支架的上方中心留有电机轴开口，电机轴向下穿过电机轴开口，将电机固定在支架上。
22.将弹簧片上挂杆穿入电机轴孔用螺母固定，弹簧片下挂杆与指针连接，使指针与电机轴所在铅垂线重合；刻度盘底面向上置于指针下方，使电机轴线与刻度盘高线重合；将球体通过球柄挂钩悬挂在弹簧片下端的悬挂孔上。
23.如图5所示，在地面上制作刻度盘读数线：在拉线环上系上细线，细线跨过可升降支座上的滑轮挂上重量为1牛的砝码，让支座的滑轮面经过上、下挂杆的轴线；调节升降支座的升降旋柄，使细线处于水平位置，标记此时指针在刻度盘上的指向点，并在此指向点两侧分别标记1牛和n1厘米(n1厘米代表此时球心到电机轴线的距离，也就是电机转动时球体圆周运动的半径)；重复上述操作，分别挂上2牛、3牛、
……
的砝码，分别在指针的各指向点标记对应的拉力(2牛、3牛、
……
)和半径(n2、n3、
……
)；然后以刻度盘中心为圆心，在刻度盘上刻画出经过这些标记点的同心圆，并将这些同心圆依次以红、黑、黄、绿、蓝、轮流着色。
24.当电机从启动加速到一个固定的转速时，由于惯性，地面上球体的旋转高度会有上下波动，但是，持续以恒定的速度转动，这种波动会在空气阻力和挂钩处摩擦力的阻尼作用下逐渐减小而趋于稳定。但是，空间站中的波动比地面上的明显，并且趋于稳定的时间也
比地面上趋于稳定的时间长，是因为起阻尼作用的是空气阻力和挂钩处的摩擦力，空间站中挂钩处的压力只有向心力，而地面上挂钩处的压力是向心力和重力的合力，这个合力要大于向心力，由此产生的摩擦力也大于空间站中的摩擦力。这一点可由授课老师在演示过程中加以解释。


技术特征：
1.一种空间站与地面圆周运动对比演示装置，包含有支架、电机、球体、指针，其特征在于：由支架、电机、球体、球柄、指针、条形弹簧、刻度盘组成；所述支架上方有电机轴开口，所述电机固定在支架上，电机转动轴竖直方向穿过所述电机轴开口；所述条形弹簧为矩形弹性片，两端轴线处分别有与弹性片矩形面垂直的上挂杆和下挂杆，上挂杆与电机轴垂直连接，下挂杆与指针垂直连接，电机轴、指针在同一铅垂线上，并且所在铅垂线与弹性片矩形面平行；条形弹簧的下端还有挂钩，挂钩上挂有球体；所述球体上有螺纹孔和拉线环，一端带有悬挂孔，另一端带有螺纹的球柄旋入球体螺纹孔与球体连接；所述球柄上的悬挂孔套在条形弹簧下端的挂钩上，将球体悬挂在弹簧上；所述刻度盘是一球冠状曲面，底面向上，高线与电机轴线重合，当刻度盘绕着其高线旋转时，在弹簧下端挂钩处挂上球体且从球体拉线环上施加变化的、与上挂杆平行的拉力的动态过程中，指针针尖与其内侧面距离相等；所述指针在静止状态下指向球冠状曲面的顶点，指针针尖与球冠状曲面的距离在1mm至10mm之间；所述刻度盘内侧面上刻画有读数线，所述读数线均为圆，圆心均在高线上，都与底面圆平行；相邻的读数线颜色不同。2.根据权利要求1所述的一种空间站与地面圆周运动对比演示装置，其特征在于：所述电机受控制器控制可变速并显示转速。3.根据权利要求1所述的一种空间站与地面圆周运动对比演示装置，其特征在于：所述刻度盘上的读数线以5种不同颜色轮流着色，各读数线分别标记指针指向该读数线时对应的拉线环处水平拉力的数据，也就是旋转状态下的向心力。

技术总结
一种空间站与地面圆周运动对比演示装置，属于物理实验设备，提供一种空间站与地面圆周运动对比演示装置，由支架、电机、球体、球柄、指针、条形弹簧、刻度盘组成；支架上方有电机轴开口，电机固定在支架上，转动轴竖直方向穿过电机轴开口；条形弹簧为矩形弹性片，两端有上、下挂杆，上挂杆与电机轴连接，下挂杆与指针连接，弹簧的下端有挂钩，球体通过球柄悬挂在挂钩上；刻度盘是一球冠状曲面，内侧面上刻画有读数线，读数线均为圆；指针在静止状态下指向球冠状曲面的顶点。将这样完全相同的装置放在空间站和地面，进行相同地操作前，让学生预测空间站和地面上会有怎样不同的结果，然后演示，观察结果，再进行受力分析；用于空间站授课。用于空间站授课。用于空间站授课。


技术研发人员：刘晓燕 郑晓霞 普晓年 何淑兰 闫向洲
受保护的技术使用者：刘晓燕
技术研发日：2022.07.19
技术公布日：2022/11/1