CN108389479B - 向心力实验仪 - Google Patents

Abstract

一种向心力实验仪，包括驱动机构、滑动机构、测量机构，还包括微调机构和保护箱体；保护箱体包括机箱和保护罩，机箱为箱体结构，保护罩为圆柱形罩体结构，箱体上面固定安装有台面；驱动机构为整个实验仪的驱动部分，包括置于所述机箱内部的电机、调速器和置于机箱上面的转盘轴；滑动机构为整个实验仪的演示部分，置于台面上面；测量机构为整个实验仪的向心力测定部分；微调机构为整个实验仪水平度的支撑调节部分，置于所述机箱内部。这种向心力实验仪，实验效率高；避免发生塑性或弹性变形；方便可调；结构简单，操作方便，成本低，效率高，测量精确度高。

Description

向心力实验仪

技术领域

本发明涉及一种物理教学用实验仪器，具体地说是一种向心力实验仪，主要应用于向心力的教学实验演示和定量测量。

背景技术

传统的向心力教学演示仪一般为包括“手摇式向心力实验仪”和“用圆锥摆粗略验证向心力表达式”的圆锥摆实验仪，通过比例法来定性地探究向心力与角速度、半径和质量的关系，粗略地说明影响向心力的因素。圆锥摆下的钢球不能平稳地做匀速圆周运动，“手摇式向心力实验仪”实验时，手也很难保持转盘匀速转动。

中国专利“电动向心力定量分析实验仪（201220118069.0）”所公开的向心力实验仪，其中的小球是用弹簧拉拽，能够使弹簧发生形变的因素除小球的向心力外，还有弹簧本身和推板做匀速圆周运动时所产生的离心力，这个离心力对实验结果的影响难以消除；由于弹簧为弹性件，这个弹性件在做匀速圆周运动时，特别是在做速度较高的匀速圆周运动时的形变量极其不容易准确测量，从而影响向心力测量结果的准确度；弹簧本身的仪器误差也较大，对向心力的测量结果的影响难以消除；由于弹簧为弹性件，容易发生塑性变形，在长期使用过程中，会影响其测量精确度，从而影响向心力的计算和核准。

中国专利“向心力实验教学实验仪（201521012545.0）”所公开的演示仪，其中的小球通过拉绳与传感器连接在一起，拉绳的长短为向心力半径，需要准确更换半径变量时，需要反复更换拉绳，费时费力，甚至无法做到精确控制向心力半径为预定的数值，拉绳会发生弹性变形，影响向心力测量的精确度。

目前常见的用于向心力实验教学的实验仪器，存在很多影响测量精确度的缺陷，不能实时和准确的任意变换变量进行测量，导致实验效率低，实验数据精确度低。

发明内容

本发明是针对背景技术中提及的测量精确度低、变量不好控制等缺陷，提供一种能够根据实际实验进程进行变量控制而且测量精确度高的向心力实验仪。

本发明采用的技术方案是：一种向心力实验仪，包括驱动机构、滑动机构、测量机构，还包括微调机构和保护箱体；

所述保护箱体包括机箱和保护罩，机箱为箱体结构，保护罩为圆柱形罩体结构，箱体上面固定安装有台面，所述保护罩活动扣于台面之上；

所述驱动机构为整个实验仪的驱动部分，包括置于所述机箱内部的电机、调速器和置于机箱上面的转盘轴，所述转盘轴与电机输出端连接传动，调速器与电机连接控制；

所述滑动机构为整个实验仪的演示部分，置于台面上面，包括转盘、滑道、托盘和球体；所述托盘和转盘通过连接件连接在一起，并套装于所述转盘轴上；所述滑道为长条形玻璃槽体，固定安装于所述转盘上表面中央位置；所述球体置于滑道内；

所述测量机构为整个实验仪的向心力测定部分，包括悬梁、传感器和控制器；所述悬梁安装于所述转盘轴的上部；所述悬梁的端部通过吊架分别安装有一个传感器；所述传感器通过线路与所述控制器连接，所述控制器与单片机连接；

所述微调机构为整个实验仪水平度的支撑调节部分，置于所述机箱内部，包括支撑梁、底座和调节螺栓；所述支撑梁固定安装在所述台面的下面，所述底座固定安装于所述支撑梁的底部；所述调节螺栓安装于所述底座的中央部位。

所述机箱两个侧面分别设置有带活动门的观察窗口。

所述保护罩为透明材质制作而成的一体结构；所述转盘和滑道分别为透明、光滑材质制作而成的一体结构，且转盘与滑道之间为粘接固定。

所述吊架为L型结构板体；吊架的水平段通过紧固螺栓和定位螺栓固定安装在所述悬梁上；吊架的竖直段上设置有长条形的调节孔，所述传感器通过连接件安装于所述调节孔上，实现上下位置的调节。

所述吊架的水平段上还设置有与悬梁连接的定位螺栓，该定位螺栓上套装有双头指针。

所述悬梁的上表面的宽度方向的两边设置有刻度尺；所述双头指针与所述刻度尺对应设置。

所述悬梁上沿长度方向的两侧分别设置有定位槽，所述定位螺栓和紧固螺栓置于所述定位槽内，实现吊架水平位置的调节。

所述微调机构中的底座为D形结构的板体，所述支撑梁的底端固定于所述底座中心的一侧，所述调节螺栓安装于所述底座的中央，实现支撑梁上下位置的微调。

所述微调机构中包括至少三个支撑梁，均布于台面的下方。

所述滑道包括两个与所述转盘上表面垂直设置的长方形玻璃板，两玻璃板相对设置，且与所述转盘构成长方形槽体结构；所述测量机构中的传感器的底端悬置于所述滑道内的上方，其与所述转盘上表面的距离小于球体的半径1-2mm。

所述悬梁为矩形结构，所述传感器安装于所述悬梁的两端。

所述悬梁为多爪形结构，沿中心圆周均布多个带有刻度尺的分支，每个分支的端部安装有传感器。

转盘上设置有多个呈辐射状设置的滑道，每个滑道包括两个垂直于转盘的矩形玻璃板；且每个滑道分别与所述的多个悬梁上下对应。

本发明所公开的这种向心力实验仪，能够根据实验情况，及时对质量、半径、转速等进行调节，实现多种变量多次实验，大大提高实验效率；采用移动传感器的方式进行半径调节，避免发生塑性或弹性变形；加装水平微调机构，保证整个实验环境的水平度，方便可调；整个实验仪结构简单，操作方便，成本低，效率高，测量精确度高。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为本发明机箱外部结构示意图。

图3为本发明的俯视图。

图4为本发明传感器与悬梁连接关系示意图。

图5为图4的侧视图。

图6为滑道结构示意图。

图7为微调机构的俯视图。

图8为微调机构的侧视图。

图9为另一种悬臂的结构示意图。

图10为本发明控制部分连接结构框图。

图中：传感器1，控制器2，托盘3，转盘轴4，悬梁5，滑道6，转盘7，台面8，支撑梁9，机箱10，调速器11，电机12，观察窗口13，定位槽14，吊架15，定位螺栓16，紧固螺栓17，调节孔18，调节螺栓19，底座20。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

参见附图1-10，本发明所公开的是一种用于验证向心力规律和定量测量向心力大小的教学实验仪器。

本向心力实验仪的用途：1.测量做匀速圆周运动的小球所受向心力的数值大小；2.演示做匀速圆周运动的物体所受向心力大小不变的性质；3.直观演示和定量研究向心力与角速度的平方成正比的关系；4.直观演示和定量研究向心力与圆周半径成正比的关系；5.直观演示和定量研究向心力与质量成正比的关系。

实施例一

本发明所公开的这种向心力实验仪，包括驱动机构、滑动机构、测量机构，还包括微调机构和保护箱体。

保护箱体包括机箱和保护罩，机箱为矩形箱体结构，保护罩为圆柱形罩体结构，也可以为半球形罩体结构，其底边与所述的台面轮廓相匹配。箱体上面通过螺栓等连接件固定安装有台面，台面为圆形盘，保护罩活动扣于台面之上。作为优选，机箱采用不锈钢材质制作而成，在机箱的两个侧面设置观察窗口，观察窗口上带有可开关的活动门，便于对其内部电机、调速器和微调结构进行操作，也便于观察调速器上所显示的转速，电机与减速器连接，减速器与调速器连接。保护罩采用透明材质制作而成，可为有机玻璃，也可为透明的塑料或PVC等，扣装于整个实验仪上面，一是保护作用，防止实验出现故障时对观察人员造成伤害，二是便于观察，便于观察人员对实验过程的观察。

驱动机构为整个实验仪的驱动部分，包括置于所述机箱内部的电机、调速器和置于机箱上面的转盘轴。转盘轴与电机输出端连接传动，调速器与电机连接控制。电机和调速器置于机箱内部，转盘轴的中上部穿过台面置于其上部。电机和调速器采用外购器材，电机与调速器连接受控，调速器控制电机转速及控制电机匀速转动，并将电机转速显示在其显示器上，便于观察人员从观察窗口进行数据采集和观察。

滑动机构为整个实验仪的演示部分，置于台面上面，包括转盘、滑道、托盘和球体。托盘和转盘通过螺栓等连接件连接在一起，并套装于所述转盘轴上，托盘和转盘随转盘轴一起转动。滑道为长条形玻璃槽体，固定安装于转盘上表面中央位置，滑道的长度与转盘的直径相等。球体置于滑道内。转盘和滑道分别为透明光滑材质制作而成的一体结构，最好选用玻璃材质，降低摩擦力，转盘与滑道之间为粘接固定。滑道包括两个与转盘上表面垂直设置的长方形玻璃板，两玻璃板相对设置，且与转盘构成长方形槽体结构。滑道的宽度大于最大球体的外径。

测量机构为整个实验仪的向心力测定部分，包括悬梁、传感器和控制器。悬梁的中部套装于转盘轴的上部，并与转盘轴一起转动。悬梁为长条板体，悬梁的两端通过吊架分别安装有一个传感器，传感器与悬梁垂直设置。传感器通过线路与控制器连接。控制器固定安装在转盘上，控制器与单片机连接，控制器和单片机为一体结构，通过线路连接，同时设置在转盘上面，控制器主要用于信号放大和24位模数转换，单片机通过蓝牙与电脑上位机连接，互通信号。测量机构中的传感器的底端悬置于滑道内的上方，其与转盘上表面的距离小于球体的半径1-2mm。吊架为L型结构板体；吊架的水平段通过紧固螺栓和定位螺栓固定安装在所述悬梁上；吊架的竖直段上设置有长条形的调节孔，传感器通过连接件安装于所述调节孔上，实现上下位置的调节，以保证传感器与不同直径球体的接触点恰好在传感器下端1-2mm处，或者球体直径不变，通过改变其材质来实现其质量的变化。吊架的水平段上还设置有与悬梁连接的定位螺栓，该定位螺栓上套装有双头指针。悬梁的上表面的宽度方向的两边设置有刻度尺；双头指针与所述刻度尺对应设置。悬梁上沿长度方向的两侧分别设置有定位槽，定位螺栓和紧固螺栓置于所述定位槽内，实现吊架水平位置的调节，吊架带动传感器发生位置变化，即适应实验内容，进行向心力实验中的半径变化。

微调机构为整个实验仪水平度的支撑调节部分，置于所述机箱内部，包括支撑梁、底座和调节螺栓。支撑梁固定安装在所述台面的下面，所述底座固定安装于所述支撑梁的底部；所述调节螺栓安装于所述底座的中央部位。微调机构中的底座为D形结构的板体，所述支撑梁的底端固定于所述底座中心的一侧，所述调节螺栓安装于所述底座的中央，实现支撑梁上下位置的微调。微调机构中包括至少三个支撑梁，均布于台面的下方。

本实验仪的工作原理是：

在调节时，需要在转盘上表面放置一个水平仪，根据水平仪对转盘水平度进行调节，通过调整调节螺母的上下位置，实现对底座上下位置的调整，底座与支撑梁连接，即实现支撑梁上下位置的调整，即完成转盘水平度的调整。

根据实验需求，先调整固定好传感器的水平位置（即完成半径的设定），再选定一定质量的球体放入滑道中，（即完成质量的设定），启动电机，再调整电机的转速（即转速的调整），电机带动转盘在特定的转速下匀速转动，球体在转动过程中受到向心力作用，沿滑道向转盘外圆周移动，并与传感器接触，转动一定时间后，力传感器采集到了球体向心力的数据并传送至控制器，将相关数据送入单片机，完成一次实验的数据采集，单片机通过蓝牙将数据传输至电脑上位机进行记录、储存和进一步分析处理：

1、在单片机中，通过特定的软件程序，输入相关的变量数值，完成向心力的计算，再与测得的向心力进行比对；

2、通过变换球体大小、改变半径长短、改变电机转速，实现向心力公式中的变量变化，实施不同变量的多次实验过程，并进行数据采集，完成多次实验数据的平均值验证。

在单片机中，通过软件程序将传感器自身的向心力进行消除（类似电子秤中消除秤盘的自身重量），得到的向心力数据即为球体所受到的向心力数据。

实施例二

该实施例的技术方案与实施例一中的方案相同，不同的是滑道和悬梁的设置个数。该实施例中，悬梁为多爪形结构，如附图9所示，数量大于两个，本实施例中为四个，也可为3-6个等，即多个小段的悬梁以转盘轴中心为中心呈辐射状排布，同时套装在转盘轴上部；或者在转盘轴上部套装一个圆盘，该圆盘的外圆周上呈辐射状均布多个悬梁分支，最好悬梁分支与圆盘为一体结构，每个分支的端部安装有传感器，且每个分支的上表面都设置刻度尺。

与悬梁相对应的，转盘上设置有多个呈辐射状设置的滑道，滑道也为小段的滑道，每个滑道包括两个垂直于转盘的矩形玻璃板；且每个滑道分别与所述的多个悬梁上下对应。

该实施例中的设置形式，可以通过一次实验过程，通过各个悬梁与滑道中球体和半径的不同，同时得出多组实验数据。

本发明只是公开了这种结构方案的一个或多个具体的实施例，任何相似形式的变动都应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种向心力实验仪，包括驱动机构、滑动机构、测量机构，其特征在于：还包括微调机构和保护箱体；

所述保护箱体包括机箱和保护罩，机箱为箱体结构，保护罩为圆柱形罩体结构，箱体上面固定安装有台面，所述保护罩活动扣于台面之上；

所述驱动机构为整个实验仪的驱动部分，包括置于所述机箱内部的电机、调速器和置于机箱上面的转盘轴，所述转盘轴与电机输出端连接传动，调速器与电机连接控制；

所述滑动机构为整个实验仪的演示部分，置于台面上面，包括转盘、滑道、托盘和球体；所述托盘和转盘通过连接件连接在一起，并套装于所述转盘轴上；所述滑道为长条形玻璃槽体，固定安装于所述转盘上表面中央位置；所述球体置于滑道内；

所述测量机构为整个实验仪的向心力测定部分，包括悬梁、传感器和控制器；所述悬梁安装于所述转盘轴的上部；所述悬梁的端部通过吊架分别安装有一个传感器；所述传感器通过线路与所述控制器连接，所述控制器与单片机连接；

所述微调机构为整个实验仪水平度的支撑调节部分，置于所述机箱内部，包括支撑梁、底座和调节螺栓；所述支撑梁固定安装在所述台面的下面，所述底座固定安装于所述支撑梁的底部；所述调节螺栓安装于所述底座的中央部位；

所述吊架为L型结构板体；吊架的水平段通过紧固螺栓和定位螺栓固定安装在所述悬梁上；吊架的竖直段上设置有长条形的调节孔，所述传感器通过连接件安装于所述调节孔上，实现上下位置的调节；

所述吊架的水平段上还设置有与悬梁连接的定位螺栓，该定位螺栓上套装有双头指针；

所述悬梁的上表面的宽度方向的两边设置有刻度尺；所述双头指针与所述刻度尺对应设置；

所述悬梁上沿长度方向的两侧分别设置有定位槽，所述定位螺栓和紧固螺栓置于所述定位槽内，实现吊架水平位置的调节。

2.根据权利要求1所述的向心力实验仪，其特征在于，所述机箱两个侧面分别设置有带活动门的观察窗口。

3.根据权利要求1所述的向心力实验仪，其特征在于，所述保护罩为透明材质制作而成的一体结构；所述转盘和滑道分别为透明、光滑材质制作而成的一体结构，且转盘与滑道之间为粘接固定。

4.根据权利要求1所述的向心力实验仪，其特征在于，所述微调机构中的底座为D形结构的板体，所述支撑梁的底端固定于所述底座中心的一侧，所述调节螺栓安装于所述底座的中央，实现支撑梁上下位置的微调。

5.根据权利要求4所述的向心力实验仪，其特征在于，所述微调机构中包括至少三个支撑梁，均布于台面的下方。

6.根据权利要求1所述的向心力实验仪，其特征在于，所述滑道包括两个与所述转盘上表面垂直设置的长方形玻璃板，两玻璃板相对设置，且与所述转盘构成长方形槽体结构；所述测量机构中的传感器的底端悬置于所述滑道内的上方，其与所述转盘上表面的距离小于球体的半径1-2mm。

7.根据权利要求1所述的向心力实验仪，其特征在于，所述悬梁为矩形结构，所述传感器安装于所述悬梁的两端。

8.根据权利要求1所述的向心力实验仪，其特征在于，所述悬梁为多爪形结构，沿中心圆周均布多个带有刻度尺的分支，每个分支的端部安装有传感器。

9.根据权利要求8所述的向心力实验仪，其特征在于，转盘上设置有多个呈辐射状设置的滑道，每个滑道包括两个垂直于转盘的矩形玻璃板；且每个滑道分别与多个悬梁上下对应。