本发明专利技术公开了一种圆周运动实验仪，包括支架、圆盘和转盘，所述圆盘和转盘均安装在支架上，所述圆盘设置在转盘与支撑轴之间，所述圆盘上设置有刻度，所述支架包括一对支撑轴，两个所述支撑轴的上端固定连接有连接块，所述圆盘与连接块固定连接，所述圆盘靠近支撑轴的一侧固定安装有步进电机，所述步进电机的驱动端穿过圆盘且固定连接有转动杆，所述转动杆的一端固定卡接有配重，所述转动杆的另一端固定卡接有无线动力传感器，所述无线动力传感器远离配重的一端固定连接有小球，所述转轴上转动套接有外转环和内转环。本发明专利技术能够定量的研究竖直和水平面的圆周运动，直接测量瞬时速度与瞬时力的对应关系，使实验更准确。
An experimental instrument of circular motion and its application
【技术实现步骤摘要】
一种圆周运动实验仪及其使用方法
本专利技术涉及物理教学用具
，尤其涉及一种圆周运动实验仪及其使用方法。
技术介绍
在高一物理圆周运动的动力学部分内容的学习中，由于做圆周运动物体的受力方向和速度方向不断改变，难以测量，所以一般只做定性的实验配合科学推理来教授，对高一学生的思维能力和数学基础来说都是极大的挑战。因此学生的学习也出现了两个典型难点：一是向心力公式的得出和理解，教材中的理论推导对于高一学生的数学基础来说是有较大难度的；二是对于竖直平面内圆周运动向心力来源的分析和临界条件的理解，总存在拉力等于向心力、拉力等于重力等错误的认识。学生难以理解的原因在于现有的关于圆周运动定量实验的探究仪器有限，在教学的过程中对竖直平面内的圆周运动的研究基本停留在定性的理论推导上，没有相应定量的实验探究以及竖直平面内的实验探究仪器来帮助学生理解，对学生抽象思维能力要求较高，学生难以通过实际的实验器材切身的体会圆周运动，造成了学生在学习的过程中难以理解物理学中的圆周运动。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，如：现有的圆周运动实验探究器材难以定量探究，学生单纯的通过教材难以理解，而提出的一种圆周运动实验仪及其使用方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种圆周运动实验仪，包括支架、圆盘和转盘，所述圆盘和转盘均安装在支架上，所述圆盘设置在转盘与支撑轴之间，所述圆盘上设置有刻度，所述支架包括一对支撑轴，两个所述支撑轴的上端固定连接有连接块，所述圆盘与连接块固定连接，所述圆盘靠近支撑轴的一侧固定安装有步进电机，所述步进电机的驱动端穿过圆盘且固定连接有转动杆，所述转动杆的一端固定卡接有配重，所述转动杆的另一端固定卡接有无线动力传感器，所述无线动力传感器远离配重的一端固定连接有小球，所述转轴上转动套接有外转环和内转环，所述内转环固定连接在转盘的一侧，所述转盘上还固定连接有光电传感器，所述光电传感器与内转环之间也为固定连接，所述光电传感器远离内转环的一端设置有活动光闸，两个所述支撑轴之间设置有固定光闸，所述转动杆的一侧开设有滑槽，所述滑槽上滑动安装有移动刻度尺，所述移动刻度尺靠近无线动力传感器的一端固定连接有遮光片，所述无线动力传感器、固定光闸、活动光闸连接有数据采集器，所述数据采集器连接有计算机。优选的，所述活动光闸的靠近光电传感器的一端还固定连接有连接轴，所述连接轴远离计算机的一端固定连接有滑块，所述滑块与圆盘滑动连接，所述内转环和转盘均通过内轴承与转轴转动连接。优选的，所述固定光闸的一端固定连接有连接块，所述固定光闸设置在两个支撑轴之间，所述连接块滑动套接在两个支撑轴上，所述连接块的一侧螺纹插设有螺纹轴，所述螺纹轴的一端与支撑轴相抵。优选的，所述支架的底部固定连接有底座，所述底座上黏贴有水平仪。优选的，所述支架的一侧安装有多个支撑块，所述转盘上黏贴有水平仪。优选的，所述圆盘上开设有开口，所述连接块上对称螺纹插设有卡轴，两个所述卡轴的一端穿过开口且与开口卡接。进一步，本专利技术还公开了一种利用权利要求1-6任一圆周运动实验仪探究竖直平面内圆周运动的方法，步骤如下：S1：将圆周运动实验仪竖直放置，转动转动杆15，由数据采集器11测量最高点速度vs，固定光闸3测得最低点速度vx，无线动力传感器18测得转动杆15拉力F；S2：将测量的最高点速度vs和最低点速度vx、小球质量及小球运动半径r分别输入计算机中，计算机通过公式和来分别得出小球在运动到最高点或最高点时的向心力；S3：将无线动力传感器18测量的转动杆15的拉力通过公式Fn＝F+mg和Fx＝F-mg计算出小球在运动到最高点时的最高点向心力Fs和最低点时的最低点向心力Fx；S4：将步骤S2中通过速度计算出来的最高点和最低点向心力与步骤S3中直接测量的最高点和最低点向心力进行比较，从而验证向心力公式另外，本专利技术还公开了一种利用权利要求1-6任一圆周运动实验仪探究水平面内圆周运动的方法，步骤如下：S1:将圆周运动实验仪水平放置，通过调速电路改变转速，使小球在水平面内作匀速圆周运动，并保持小球运动半径r不变；利用计算机求得小球运动时的向心力F；并更换不同质量的小球，重复上述操作；将测得的质量m和向心力F进行图像拟合，验证速度v和半径r固定时，向心力F和小球质量m的关系；S2：固定小球的质量m和运动半径r，通过计算通过调速电路改变转速，利用计算机计算不同速度v时小球的向心力F，并对测得的速度v和质量F进行拟合，研究F随速度v的变化关系；S3：固定小球的运动速度v和质量m，改变小球运动半径r的大小，利用计算机计算不同运动半径r时小球的向心力F，并对测得的半径r和向心力F进行拟合，研究向心力F跟小球运动半径r的关系；S4：综合步骤S1-S3，向心力F与物体的质量m成正比，与物体的速度v的平方v2成正比，与半径r成反比,即为：与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、能够定量的研究竖直和水平面圆周运动，直接测量瞬时速度与瞬时力的对应关系，使实验更准确。2、实验过程直观，F、m、r、v直接测得不用转换，学生易理解，通过观察向心力F和质量m、半径r和速度v关系，直观、快捷的验证了向心力公式，提高了课堂效率，教学效果好。3、可以让学生在课下探究，对学生的创新能力和探究方法的培养效果显著。4、速度连续调节，使用所提供的数字式速度表或速度图象来确定速度不变，测量精度更高。附图说明图1为本专利技术提出的一种圆周运动实验仪的结构示意图；图2为图1中A处的结构示意图；图3为本专利技术提出的一种圆周运动实验仪正面的结构示意图；图4为图3中B处的结构示意图；图5为图3中C处的结构示意图；图6为本专利技术提出的一种圆周运动实验仪背面的结构示意图；图7为本专利技术提出的一种圆周运动实验仪水平放置的结构示意图；图8为竖直平面内最低点圆周运动的Fx/Fnx-t的关系图；图9为竖直平面内最高点圆周运动的Fs/Fns-t的关系图；图10为竖直平面内30°圆周运动的F/Fa/Fns-t的关系图；图11为竖直平面内45°圆周运动的F/Fa/Fns-t的关系图；图12为竖直平面内60°圆周运动的F/Fa/Fns-t的关系图；图13为竖直平面内90°圆周运动的F/Fa/Fns-t的关系图；图14为竖直平面内-150°圆周运动的F/Fa/Fns-t的关系图。图15为水平面内转速V、半径r一定时，向心力F与质量m的关系图；图16为水平面内半径r和质量m一定时，向心力F与速度v的关系图；图17为水平面内速度v和质量m一定时，向心力F与半径r的关系图；图中：1底座、2连接块、3固定光闸、4支撑轴、5水平仪、6转盘、7连接轴、8计算机、9连接块、10圆盘、11数据采集器、12活动光闸、13配重、14滑槽、15转动杆、16光本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种圆周运动实验仪，包括支架、圆盘(10)和转盘(6)，所述圆盘(10)和转盘(6)均安装在支架上，其特征在于，所述圆盘(10)设置在转盘(6)与支撑轴(4)之间，所述圆盘(10)上设置有刻度(31)，所述支架包括一对支撑轴(4)，两个所述支撑轴(4)的上端固定连接有连接块(9)，所述圆盘(10)与连接块(9)固定连接，所述圆盘(10)靠近支撑轴(4)的一侧固定安装有步进电机(29)，所述步进电机(29)的驱动端穿过圆盘(10)且固定连接有转动杆(15)，所述转动杆(15)的一端固定卡接有配重(13)，所述转动杆(15)的另一端固定卡接有无线动力传感器(18)，所述无线动力传感器(18)远离配重(13)的一端固定连接有小球(19)，所述转轴(27)上转动套接有外转环(30)和内转环(25)，所述内转环(25)固定连接在转盘(6)的一侧，所述转盘(6)上还固定连接有光电传感器(16)，所述光电传感器(16)与内转环(25)之间也为固定连接，所述光电传感器(16)远离内转环(25)的一端设置有活动光闸(12)，两个所述支撑轴(4)之间设置有固定光闸(3)，所述转动杆(15)的一侧开设有滑槽(14)，所述滑槽(14)上滑动安装有移动刻度尺(17)，所述移动刻度尺(17)靠近无线动力传感器(18)的一端固定连接有遮光片(20)，所述无线动力传感器(18)、固定光闸(3)、活动光闸(12)连接有数据采集器(11)，所述数据采集器(11)连接有计算机(8)。/n...
【技术特征摘要】
1.一种圆周运动实验仪，包括支架、圆盘(10)和转盘(6)，所述圆盘(10)和转盘(6)均安装在支架上，其特征在于，所述圆盘(10)设置在转盘(6)与支撑轴(4)之间，所述圆盘(10)上设置有刻度(31)，所述支架包括一对支撑轴(4)，两个所述支撑轴(4)的上端固定连接有连接块(9)，所述圆盘(10)与连接块(9)固定连接，所述圆盘(10)靠近支撑轴(4)的一侧固定安装有步进电机(29)，所述步进电机(29)的驱动端穿过圆盘(10)且固定连接有转动杆(15)，所述转动杆(15)的一端固定卡接有配重(13)，所述转动杆(15)的另一端固定卡接有无线动力传感器(18)，所述无线动力传感器(18)远离配重(13)的一端固定连接有小球(19)，所述转轴(27)上转动套接有外转环(30)和内转环(25)，所述内转环(25)固定连接在转盘(6)的一侧，所述转盘(6)上还固定连接有光电传感器(16)，所述光电传感器(16)与内转环(25)之间也为固定连接，所述光电传感器(16)远离内转环(25)的一端设置有活动光闸(12)，两个所述支撑轴(4)之间设置有固定光闸(3)，所述转动杆(15)的一侧开设有滑槽(14)，所述滑槽(14)上滑动安装有移动刻度尺(17)，所述移动刻度尺(17)靠近无线动力传感器(18)的一端固定连接有遮光片(20)，所述无线动力传感器(18)、固定光闸(3)、活动光闸(12)连接有数据采集器(11)，所述数据采集器(11)连接有计算机(8)。
2.根据权利要求1所述的一种圆周运动实验仪，其特征在于，所述活动光闸(12)的靠近光电传感器(16)的一端还固定连接有连接轴(7)，所述连接轴(7)远离计算机(8)的一端固定连接有滑块(24)，所述滑块(24)与圆盘(10)滑动连接，所述内转环(25)和转盘(6)均通过内轴承(26)与转轴(27)转动连接。
3.根据权利要求1所述的一种圆周运动实验仪，其特征在于，所述固定光闸(3)的一端固定连接有连接块(2)，所述固定光闸(3)设置在两个支撑轴(4)之间，所述连接块(2)滑动套接在两个支撑轴(4)上，所述连接块(2)的一侧螺纹插设有螺纹轴(21)，所述螺纹轴(21)的一端与支撑轴(4)相抵。
4.根据权利要求1所述的一种圆周运动实验仪，其特征在于，所述支架的底部固定连接有底座(1...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹骢，
申请(专利权)人：曹骢，
类型：发明
国别省市：广东;44
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