專利名稱：：重力圓周動力儀的制作方法
技術領域：
：本實用新型是應用于高中一年級物理動力學部分教學的教具。技術背景目前普通高中與職業(yè)學校物理課程中動力學部分使用的是定性演示物體運動與力相互關系的教具，缺少定量演示物體運動與力的相互關系的教具，教學效果很受影響
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種重力圓周動力儀，該重力圓周動力儀能既定性又能定量直觀演示物體運動與力、機械能甚至功率、機械效率的相互關系，能提高教學效果，以彌補現(xiàn)有高中物理動力學部分教學使用的實驗儀器只能定性演示物體運動與力的相互關系的不足。為了解決上述問題，本實用新型采用了以下技術方案。一種重力圓周動力儀，包括繞豎直軸旋轉(zhuǎn)的圓或拋物線形的旋轉(zhuǎn)體及其上的被測物體小球m，其特征在于還包括通過固定裝置與被測物體相連接的測力裝置、測速裝置、動力裝置。所述的測力裝置由與動力裝置并聯(lián)的測力電源、設在旋轉(zhuǎn)體中心上的電位器、設在豎直旋轉(zhuǎn)軸上的電刷、電流表A,以及串聯(lián)電阻通過導線連接組成。所述的測力電源由一個電容和兩個二極管通過導線連接組成的穩(wěn)流直流電源；電流表A與旋轉(zhuǎn)體上的測力電位器通過導線并聯(lián)后與穩(wěn)流直流電源相接。所述的測速裝置由通過導線連接的設在豎直旋轉(zhuǎn)軸上的測速電機、電流表A2組成；所述的動力裝置由通過電源線連接的單相交流電動機及調(diào)速開關組成。固定裝置為一圓形空間支架，用以固定豎直旋轉(zhuǎn)軸及安裝測力裝置、測速裝置、動力裝置并保證儀器平穩(wěn)運轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)體為懸掛式或托盤式。下面以圓形懸掛式旋轉(zhuǎn)體為例來詳細說明當旋轉(zhuǎn)體繞豎直軸由靜止開始旋轉(zhuǎn)時，它上面的被測物體小球m將隨之一起轉(zhuǎn)動，一方面轉(zhuǎn)動速度co被設在旋轉(zhuǎn)軸上的測速電機及其測速電路記錄下來并在電流表A2上顯示出來；另一方面小球m將在重力與離心力的共同作用下在豎直面內(nèi)沿圓周向上作圓周運動并通過連桿帶動旋轉(zhuǎn)體豎直面上旋轉(zhuǎn)中心處安裝的測力電位器轉(zhuǎn)動a角，(電阻變化引起測力電路的電流變化)a數(shù)據(jù)在電流表A,顯示出來。當轉(zhuǎn)動速度co一定時，a—定，小球m在豎直面上處于相對靜止狀態(tài)(既不上升也不下滑)。根據(jù)平面幾何知識，此時的a值正等于小球m向斜上方運動傾角大小，再根據(jù)靜力學中共點力的平衡條件，此時小球m在斜面上的受力狀態(tài)為fl=-f2,fl=mgsina，f2=mra)2cosa。通過fl=-f2導出tana=a/g，(a=ro)2)a=gtana(a為離心加速度)，a與tana相聯(lián)系，tana又與a/g、r=Rsina相聯(lián)系而與離心加速度a、r聯(lián)系在一起。反過來又與運動要素(o、V、及h、R、W、Ep相互聯(lián)系。在眾多的聯(lián)系中tana-a/g是最關鍵的聯(lián)系，是本實用新型的理論基礎，所以是本實用新型的核心技術。tana是所有函數(shù)(圖像)的導函數(shù)(切線斜率)，對拋物線、橢圓等其它函數(shù)(圖像)的旋轉(zhuǎn)體均適用。將a所對應的電流表A,示數(shù),用它的正切值(tana-a/g)在電流表A,中標定出來(是模擬顯示，將此模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號并與計算器中的正切函數(shù)程序相接為數(shù)字顯示。)，此值正是此時小球m離心加速度的重力倍數(shù)。此時小球m的旋轉(zhuǎn)半徑r=Rsina的值也可在電流表A中tana處標定。同理，根據(jù)aso)2，Q)^a/r再開平方，V=rco(V是線速度)計算出a所對應co與V(線速度)值，在測速電流表A2上標定出來。同樣，知道線速度V和小球m質(zhì)量以及小球m的移動高度h=R(1-cosa),可以計算出此刻小球m的勢能Ep=mgh動能W=mv2/2，并在測速表八2對應的a>與V值處標定。這樣，有了小球m的運動狀態(tài)Q)、v、r與受力狀態(tài)a、g，以及能量狀態(tài)W與Ep就充分證實演示了F-mrc^或F-mvVr以及①、v、r、a之間與動能W勢能Ep相互關系。同理，當交流電動機帶動圓形旋轉(zhuǎn)體加速旋轉(zhuǎn)時，小球m繼續(xù)上升，a將增大，又一組co、v、r、a，W與Ep數(shù)據(jù)在A。A2中標定出來。由于圓上正切函數(shù)的特征，建議tana的值從0標到10，從2開始只標整數(shù)，小于2的標到一位小數(shù)。tana=a/g=10就表明本實用新型最大能演示10g的離心加速度，當R=0.1米，小球m質(zhì)量-0.03千克時，離心力僅有約3牛，相當?shù)厍蛏?.3千克的重量，轉(zhuǎn)速約有IO兀個弧度左右(5周)/S，線速度有3.1米/S，只要離心加速度a不超過10g保證安全可靠。本實用新型有益效果形象直觀的定量演示作圓周運動的物體運動與力及能量的相互關系，如果在動力電源線接入一個交流電流表還可演示功率與機械效率，同時還涉及一些數(shù)學問題，對提高教學效果，開發(fā)學生智力，培養(yǎng)能力，實行素質(zhì)教育大有益處。圖1是本實用新型的懸掛式結(jié)構示意圖。圖2本實用新型的托盤式結(jié)構示意圖。圖3本實用新型的原理圖。具體實施方式下面結(jié)合實施例進一步說明本實用新型。如圖l、2、3所示，實施例包括繞豎直軸旋轉(zhuǎn)的拋物線形的旋轉(zhuǎn)體6及其上的被測物體小球m1,其特征在于還包括通過固定裝置5與被測物體1相連接的測力裝置2、測速裝置3、動力裝置4。固定裝置5為一圓形空間支架；旋轉(zhuǎn)體6為懸掛式。測力裝置2由與動力裝置4并聯(lián)的測力電源12、設在旋轉(zhuǎn)體6中心上的lk歐姆電位器9、設在豎直旋轉(zhuǎn)軸上的電刷11、電流表A,10以及串聯(lián)電阻15和通過導線連接組成。測力電源12由一個47nJV630V電容和兩個1N4007二極管組成的0.0015安的穩(wěn)流直流電源；電流表AilO滿刻度電流0.001安，內(nèi)阻300歐姆，與旋轉(zhuǎn)體上的lk歐姆測力電位器9通過導線并聯(lián)后與穩(wěn)流直流電源相接。測速裝置3由通過導線連接的設在豎直旋轉(zhuǎn)軸上的測速電機7RF—300CBQF051016T(錄音機磁帶直流電機)、電流表八28及導線組成。動力裝置4由通過電源線連接的220伏40瓦的吊扇用單相交流電動機13及調(diào)速開關14組成。接通220V交流電源，首先閉合測力電源開關16(調(diào)速開關關閉)，調(diào)整電位器9確保動力儀靜止時電流表AJ0指針歸零，由于圓上正切函數(shù)的特性，tana大于2的點高度集中，A,10逆時針旋轉(zhuǎn)可稍加緩解，故規(guī)定滿刻度為零(表針倒著走)。然后，用手向上在圓周上移動小球ml，仔細觀察圓心角變化，根據(jù)主要(x(tanct-l---10以及小于2的一位小數(shù)、r用厘米表示的整數(shù)點)動力學數(shù)據(jù)—覽表(表l)，由小到大逐個標定測力電流表A,10的a與r值。a以g為單位用tancx表示(a-gtana)，保留一位小數(shù)。r用厘米表示保留一位小數(shù)。例如『31度時tana-0.6，r=5.2，a-52.5度時tana=1.4，r=8.0。電流表A!10的37個數(shù)據(jù)標定完畢后標定測速電流表A28。方法是先將儀器放置平穩(wěn)，打開調(diào)速開關14緩慢調(diào)節(jié)開關旋鈕。旋轉(zhuǎn)體6在電動機13驅(qū)動下繞豎直軸緩慢加速旋轉(zhuǎn)，當A,IO指針接近tana或r的某一點時，仔細調(diào)節(jié)調(diào)速開關旋鈕使指針穩(wěn)定在tana或r點處，根據(jù)主要a動力學數(shù)據(jù)一覽表(表1),在A28上標定對應的co、v、W、Ep值。如a-52.5度時測力電流表A"0上tana-1.4、r=8.0;A28應標定=4.1，V-1.0Ep==0.0119W-0馬0。繼續(xù)調(diào)整轉(zhuǎn)速，將A，上t亂r的37個點在A2上所對應的co、v、W、Ep值全部標定完畢。單位為兀弧度/S,V的單位為米/S，W與Ep為焦耳(W與Ep數(shù)量級跨度較大可用科學計數(shù)法標定)。根據(jù)這些單位規(guī)定，整飾A。A2表盤數(shù)字，整數(shù)用半徑方向的短線和阿拉伯數(shù)字標注，小數(shù)用小黑點兒標注。用內(nèi)插法找出r、W、Ep缺少的整數(shù)和一位小數(shù)位置并標定。標定標注完畢后，只要各裝置電路連接良好旋轉(zhuǎn)體平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，ApA2就會出現(xiàn)準確的對應數(shù)字，定量演示運動、力與機械能。表h主要a動力學數(shù)據(jù)一覽表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權利要求1、一種重力圓周動力儀，包括繞豎直軸旋轉(zhuǎn)的圓或拋物線形的旋轉(zhuǎn)體(6)及其上的被測物體小球m(1)，其特征在于還包括通過固定裝置(5)與被測物體小球(1)相連接的測力裝置(2)、測速裝置(3)、動力裝置(4)。2、如權利要求1所述的重力圓周動力儀，其特征在于測力裝置(2)由與動力裝置(4)并聯(lián)的測力電源(12)、設在旋轉(zhuǎn)體(6)中心上的電位器(9)、設在豎直旋轉(zhuǎn)軸上的電刷(11)、電流表A1(10)以及串聯(lián)電阻(15)通過導線連接組成。3、如權利要求2所述的重力圓周動力儀，其特征在于測力電源(12)由一個電容和兩個二極管通過導線連接組成的穩(wěn)流直流電源；電流表A"10)與旋轉(zhuǎn)體上的測力電位器(9)通過導線并聯(lián)后與穩(wěn)流直流電源相接。4、如權利要求1、2或3所述的重力圓周動力儀，其特征在于測速裝置(3)由通過導線連接的設在豎直旋轉(zhuǎn)軸上的測速電機(7)、電流表A2(8)組成。5、如權利要求1、2或3所述的重力圓周動力儀，其特征在于動力裝置(4)由通過電源線連接的單相交流電動機(B)及調(diào)速開關(14)組成。6、如權利要求4述的重力圓周動力儀，其特征在于動力裝置(4)由通過電源線連接的單相交流電動機(13)及調(diào)速開關(14)組成。7、如權利要求1所述的重力圓周動力儀，其特征在于固定裝置(5)為一空間支架；旋轉(zhuǎn)體(6)為懸掛式或托盤式。專利摘要一種重力圓周動力儀，包括繞豎直軸旋轉(zhuǎn)的圓或拋物線形的旋轉(zhuǎn)體(6)及其上的被測物體小球m(1)，其特征在于還包括通過固定裝置(5)與被測物體小球(1)相連接的測力裝置(2)、測速裝置(3)、動力裝置(4)。本實用新型為高中物理動力學部分教學提供一臺定量直觀演示圓周運動的物體的角速度、線速度、旋轉(zhuǎn)半徑、上升高度、加速度、動能、勢能甚至功率與機械效率相互關系的教具。文檔編號G09B23/00GK201188280SQ20082000517公開日2009年1月28日申請日期2008年3月10日優(yōu)先權日2008年3月10日發(fā)明者羽張申請人:羽張