一种精确测量向心力大小实验仪及其操作方法技术

本发明专利技术涉及实验仪，包括：外围框、实验仪调平支撑腿、实验仪侧支撑壁、实验仪平台、横向标尺杆空心固定杆支撑上梁、实验仪修配件存放抽屉、圆形小电机、电机固定架、转动圆盘、电控箱、电机供电线、横向标尺杆空心固定杆、横向标尺杆和钢性弹簧底座固定区域；实验仪平台底部设置有调平支撑腿，调平支撑腿支撑实验仪平台，在实验仪平台两侧设置有左右实验仪侧支撑壁，在实验仪侧支撑壁顶端设置有横向标尺杆空心固定杆支撑上梁。本发明专利技术的有益效果是：提供了一种结构合理，测量精度高的精确测量向心力大小实验仪，其整体结构设计思路与方法新颖，国内外首创。

【技术实现步骤摘要】
一种精确测量向心力大小实验仪及其操作方法
本专利技术涉及实验仪，尤其涉及一种精确测量向心力大小实验仪。
技术介绍
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，向心力大小与物体的质量、转动物体的角速度(或周期)以及物体到转轴的距离都有关系。众所周知：作匀速圆周运动物体的向心力大小，与物体质量成正比，与物体运动角速度平方成正比(周期平方成反比)，以及与物体到转轴距离成正比；然而，目前为止，市面上与大中学校物理实验室只有向心力定性演示实验仪器设备，还没有看到过精确测量向心力大小的实验仪设备。
技术实现思路
为了克服现有技术不足，本专利技术提供了一种结构合理，测量精度高的精确测量向心力大小实验仪。为实现上述技术目的，本专利技术采用了以下技术方案：精确测量向心力大小实验仪，包括外围框、实验仪调平支撑腿、实验仪侧支撑壁、实验仪平台、横向标尺杆空心固定杆支撑上梁、实验仪修配件存放抽屉、圆形小电机、电机固定架、转动圆盘、电控箱、电机供电线、横向标尺杆空心固定杆、横向标尺杆和钢性弹簧底座固定区域；实验仪平台底部设置有调平支撑腿，调平支撑腿支撑实验仪平台，在实验仪平台两侧设置有左右实验仪侧支撑壁，在实验仪侧支撑壁顶端设置有横向标尺杆空心固定杆支撑上梁，在横向标尺杆空心固定杆支撑上梁中心与圆形小电机转动轴对应竖直方向固定安装横向标尺杆空心固定杆，在横向标尺杆空心固定杆下端安装横向标尺杆固定上挡圈，将固定安装横向标尺杆安装在横向标尺杆固定上挡圈下端，在横向标尺杆下端通过空心固定螺环使横向标尺杆固定在横向标尺杆固定上挡圈与空心固定螺环之间；在圆形小电机的转轴上安装有圆盘阻挡圈，在圆盘阻挡圈上端套接转动圆盘，在转动圆盘的上端安装圆盘锁紧螺环，圆盘阻挡圈和圆盘锁紧螺环将转动圆盘固定于其间；圆形小电机安装在实验平台的电机固定架之间，圆形小电机转动轴套进横向标尺杆空心固定杆中间，通过电机固定架将圆形小电机固定。作为优选：所述钢性弹簧底座固定区域包括：钢性弹簧底座固定槽、钢性弹簧底座固定螺丝、钢性弹簧系统、长方形实验块、钢性弹簧和长方形实验块微尺；钢性弹簧系统底座安装在横向标尺杆中钢性弹簧底座固定区域的钢性弹簧底座固定槽的相应半径处；长方形实验块放在横向标尺杆的长方形实验块的滑块槽内，长方形实验块带有长方形实验块微尺与主尺带有刻度边相邻，且与钢性弹簧紧靠。这种精确测量向心力大小实验仪的操作方法,包括如下步骤：第一步：将钢性弹簧系统底座安装在横向标尺杆中钢性弹簧底座固定区域的钢性弹簧底座固定槽的相应半径处；第二步：将质量为m1的长方形实验块放在横向标尺杆的长方形实验块的滑块槽内，长方形实验块带有微尺边与主尺带有刻度边相邻，且与钢性弹簧紧靠，读取长方形实验块质心位置初读数x1；第三步：实验时，将电空箱设置成n圈，转动n圈所需时间t，电机转动角速度ω0(rad/s)；打开电控箱电源，指示灯亮，电机带动转动圆盘开始转动，转动圈数设置旋钮设置电机转动圈，圈数显示屏显示，按动计时开始按钮，待电机转动50圈，即转动圆盘转动50圈，电机带动转盘自动停止转动，时间显示屏会显示转动50圈所用总时间t，则周期为T＝t/50，角速度为ω＝2π/T；第四步：电机带动转盘开始转动过程中，长方形实验块就会在转动圆盘表面在横向标尺杆内滑块槽中，顺着滑块槽方向与钢性弹簧垂直方向向外滑动，钢性弹簧被压缩至某一位置；第五步：待长方形实验块在滑块槽中稳定后，读取长方形实验块所在位置读数x2；第六步：根据如上实验所读取数据x1、x2，得钢性弹簧被压缩量Δx＝x2-x1，设钢性弹簧的弹性系数k，根据胡克定律f＝k·Δx，该力即为长方形实验块的离心力，也即长方形实验块在转动圆盘上距离转轴距离为x2的向心力；第七步：又知道x2为长方形实验块到转轴距离，根据公式(1)计算出向心力的理论值f实验；f＝mω2r＝m(4π2)/T2r……(1)则实验值与理论值的比较用百分误差表示为：第八步：同理，采用同样的角速度ω0，我们将质量为m2(m2>m1)的长方形实验块放在横向标尺杆的长方形实验块的滑块槽内，长方形实验块带有微尺边与主尺带有刻度边相邻，且与钢性弹簧紧靠，读取长方形实验块质心位置初读数x1；做实验，电机带动转动圆盘转动，长方形实验块会沿滑块槽径向背向转轴方向向外运动，待长方形实验块在滑块槽中稳定后，读取长方形实验块所在位置读数x3，则Δx′＝x3-x1，向心力f＝k·Δx′的实验值f实验；再与把m2、x3代入(1)式，计算出向心力的理论值f理论，并把理论值f理论与实验值f实验代入(2)式进行比较，即采用百分误差表示；第九步：如果转动转速设置旋钮，重新设置较快角速度ω1(ω1>ω0)；将质量为m1的长方形实验块放在横向标尺杆的长方形实验块的滑块槽内，长方形实验块带有微尺边与主尺带有刻度边相邻，且与钢性弹簧紧靠，读取长方形实验块质心位置初读数x1进行如上所述实验，这个时候钢性弹簧的压缩量就会更大，即离心力更大，也就是说向心力更大，同样可以读出相应读数x4，将x4代入公式(1)计算出向心力的理论值f理论与实验值f＝k·Δx′进行比较，其中Δx′＝x4-x1。本专利技术具有以下的特点和有益效果：1、“精确测量向心力大小实验仪”装置的整体结构设计思路与方法新颖，国内外首创；2、将转动圆盘安装在电机转动轴上，电机转动直接带动圆盘转动，能够实现圆盘上的滑块获得一个向心力效果；3、由于圆盘与滑块间的相对滑动，根据实验需要所选择圆盘与滑块材料，其间的摩擦力非常小(可以忽略不计)，只要圆盘转动，滑块就能够实现其在圆盘上离开圆心的相对滑动；4、为了测量滑块的向心力，采用了弹簧固定在弹簧座的装置，通过记录弹簧的压缩量，采用胡克定律即可计算出弹簧的弹力(即为滑块离心力)，滑块的离心力与滑块的向心力为作用力与反作用力，即可测量出滑块的向心力；5、为了计算测量出弹簧的压缩量以及滑块距离转轴距离，采用了滑块在横向标尺杆中的滑块槽中能够自由滑动，以及滑块上表面紧靠横向标尺杆标尺一边刻画有微尺，以有利于实现滑块距离转轴与弹簧压缩量的精确读数；6、弹簧座可沿转动圆盘半径(即在横向标尺杆内侧)方向移动，当位置确定后即可固定于横向标尺杆两侧，来测量滑块在不同半径处的离心力(即向心力)，以及根据滑块距离转轴不同位置及根据向心力的计算公式计算出向心力的理论值；7、横向标尺杆固定在横向标尺杆空心固定杆下端，能够实现横向标尺杆下表面与圆盘面相隔一定距离和其间的调节，横向标尺杆中间设计有滑块槽，能够实现滑块在滑块槽内无摩擦(滑块与圆盘面及横向标尺杆内侧摩擦均忽略不计)地沿横向标尺杆(半径)方向自由滑动。附图说明图1为精确测量向心力大小实验仪正视图。图2为除电机与转动圆盘外其它部件正视图。图3为除横向标尺杆空心固定杆与横向标尺杆外其它部分正视图。图4为精确测量向心力大小实验仪俯视图。图5为钢性弹簧与长方形实验块(带微尺)俯视图。图6为横向标尺杆与钢性弹簧系统等侧视图。图7为长方形实验块(带有微尺)俯视图。图8为长方形实验块(带有微尺)精度标定方法图。图9为电控箱正视图。图10为电机(转盘)转动前长方形实验块(带有微尺)初始状态俯视图。图11为电机(转盘)转动后长方形实验块(带有微尺)运动末了状态俯视图。图12为实验时横向标尺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精确测量向心力大小实验仪，其特征在于：包括外围框(1)、实验仪调平支撑腿(1‑0)、实验仪侧支撑壁(1‑2)、实验仪平台(1‑3)、横向标尺杆空心固定杆支撑上梁(1‑4)、实验仪修配件存放抽屉(2)、圆形小电机(3)、电机固定架(3‑1)、转动圆盘(6)、电控箱(4)、电机供电线(5)、横向标尺杆空心固定杆(7)、横向标尺杆(8)和钢性弹簧底座固定区域(9)；实验仪平台(1‑3)底部设置有调平支撑腿(1‑0)，调平支撑腿(1‑0)支撑实验仪平台(1‑3)，在实验仪平台(1‑3)两侧设置有左右实验仪侧支撑壁(1‑2)，在实验仪侧支撑壁(1‑2)顶端设置有横向标尺杆空心固定杆支撑上梁(1‑4)，在横向标尺杆空心固定杆支撑上梁(1‑4)中心与圆形小电机转动轴(3‑4)对应竖直方向固定安装横向标尺杆空心固定杆(7)，在横向标尺杆空心固定杆(7)下端安装横向标尺杆固定上挡圈(7‑1)，将固定安装横向标尺杆(8)安装在横向标尺杆固定上挡圈(7‑1)下端，在横向标尺杆(8)下端通过空心固定螺环(7‑2)使横向标尺杆(8)固定在横向标尺杆固定上挡圈(7‑1)与空心固定螺环(7‑2)之间；在圆形小电机(3)的转轴上安装有圆盘阻挡圈(3‑2)，在圆盘阻挡圈(3‑2)上端套接转动圆盘(6)，在转动圆盘(6)的上端安装圆盘锁紧螺环(3‑3)，圆盘阻挡圈(3‑2)和圆盘锁紧螺环(3‑3)将转动圆盘(6)固定于其间；圆形小电机(3)安装在实验平台(1‑3)的电机固定架(3‑1)之间，圆形小电机转动轴(3‑4)套进横向标尺杆空心固定杆(7)中间，通过电机固定架(3‑1)将圆形小电机(3)固定。...

【技术特征摘要】
1.一种精确测量向心力大小实验仪，其特征在于：包括外围框(1)、实验仪调平支撑腿(1-0)、实验仪侧支撑壁(1-2)、实验仪平台(1-3)、横向标尺杆空心固定杆支撑上梁(1-4)、实验仪修配件存放抽屉(2)、圆形小电机(3)、电机固定架(3-1)、转动圆盘(6)、电控箱(4)、电机供电线(5)、横向标尺杆空心固定杆(7)、横向标尺杆(8)和钢性弹簧底座固定区域(9)；实验仪平台(1-3)底部设置有调平支撑腿(1-0)，调平支撑腿(1-0)支撑实验仪平台(1-3)，在实验仪平台(1-3)两侧设置有左右实验仪侧支撑壁(1-2)，在实验仪侧支撑壁(1-2)顶端设置有横向标尺杆空心固定杆支撑上梁(1-4)，在横向标尺杆空心固定杆支撑上梁(1-4)中心与圆形小电机转动轴(3-4)对应竖直方向固定安装横向标尺杆空心固定杆(7)，在横向标尺杆空心固定杆(7)下端安装横向标尺杆固定上挡圈(7-1)，将固定安装横向标尺杆(8)安装在横向标尺杆固定上挡圈(7-1)下端，在横向标尺杆(8)下端通过空心固定螺环(7-2)使横向标尺杆(8)固定在横向标尺杆固定上挡圈(7-1)与空心固定螺环(7-2)之间；在圆形小电机(3)的转轴上安装有圆盘阻挡圈(3-2)，在圆盘阻挡圈(3-2)上端套接转动圆盘(6)，在转动圆盘(6)的上端安装圆盘锁紧螺环(3-3)，圆盘阻挡圈(3-2)和圆盘锁紧螺环(3-3)将转动圆盘(6)固定于其间；圆形小电机(3)安装在实验平台(1-3)的电机固定架(3-1)之间，圆形小电机转动轴(3-4)套进横向标尺杆空心固定杆(7)中间，通过电机固定架(3-1)将圆形小电机(3)固定。2.根据权利要求(1)所述的精确测量向心力大小实验仪，其特征在于：所述钢性弹簧底座固定区域(9)包括：钢性弹簧底座固定槽(9-0)、钢性弹簧底座固定螺丝(9-1)、钢性弹簧系统(9-2)、长方形实验块(9-3)、钢性弹簧(9-21)和长方形实验块微尺(9-30)；钢性弹簧系统底座(9-20)安装在横向标尺杆(8)中钢性弹簧底座固定区域(9)的钢性弹簧底座固定槽(9-0)的相应半径处；长方形实验块(9-3)放在横向标尺杆(8)的长方形实验块(9-3)的滑块槽(9-00)内，长方形实验块(9-3)带有长方形实验块微尺(9-30)与主尺(8-0)带有刻度边相邻，且与钢性弹簧(9-21)紧靠。3.如权利要求1所述的精确测量向心力大小实验仪的操作方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步：将钢性弹簧系统底座(9-20)安装在横向标尺杆(8)中钢性弹簧底座固定区域(9)的钢性弹簧底座固定槽(9-0)的相应半径处；第二步：将质量为m1的长方形实验块(9-3)放在横向标尺杆(8)的长方形实验块(9-3)的滑块槽(9-00)内，长方形实验块(9-3)带有微尺边(9-30)与主尺(8-0)带有刻度边...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锐波，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33