作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置，特別是采用了輕質(zhì)圓形全周量角器的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置，屬于實(shí)驗(yàn)工具、教具或?qū)W習(xí)用品。而本實(shí)驗(yàn)裝置由圓形量角器、細(xì)線、彈簧秤與支撐環(huán)組成，支撐環(huán)上有掛孔，量角器有一個(gè)中心開(kāi)孔；細(xì)線的一端穿過(guò)量角器的中心開(kāi)孔固定連接在一起，細(xì)線的另一端連接彈簧秤的一端，彈簧秤的另一端鉤在支撐環(huán)上的掛孔里。實(shí)驗(yàn)裝置可以連接多根細(xì)線和彈簧秤，通過(guò)調(diào)整細(xì)線的長(zhǎng)短與彈簧秤鉤在支撐環(huán)上掛孔的位置改變力的大小與方向。力的大小直接從彈簧秤上讀出、力的方向直接從量角器上讀出。本實(shí)驗(yàn)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、使用方便等特點(diǎn)，在力學(xué)實(shí)驗(yàn)、作用力平衡定律驗(yàn)證與學(xué)習(xí)研究中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說(shuō)明】作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置，特別是采用了輕質(zhì)圓形全周量角器的 作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置，屬于實(shí)驗(yàn)工具、教具或?qū)W習(xí)用品。

【背景技術(shù)】
[0002] 力是矢量，既有大小又有方向，力的合成或平衡符合數(shù)學(xué)的矢量和，而矢量和的運(yùn) 算又符合平行四邊形法則或三角形法則。
[0003]物理課程中經(jīng)常遇到多個(gè)力的矢量和或平衡問(wèn)題，由于多個(gè)力的合成不是很直 觀、較為抽象，其矢量的關(guān)系也較為復(fù)雜，因此需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行演示、驗(yàn)證作用力平衡 原理。
[0004] 通常這類實(shí)驗(yàn)只能做兩個(gè)力關(guān)系的試驗(yàn)，而需要進(jìn)行多個(gè)力平衡實(shí)驗(yàn)時(shí)通常也只 能采用簡(jiǎn)易的手工操作，測(cè)量困難、精度不準(zhǔn)，效果很不理想，影響教學(xué)質(zhì)量與學(xué)習(xí)效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：
[0006] 1、可對(duì)多個(gè)平衡力同時(shí)進(jìn)行測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置；
[0007] 2、實(shí)驗(yàn)裝置可以方便地改變力的大小與方向；
[0008]3、力的大小與方向可以直接在實(shí)驗(yàn)裝置上讀出。
[0009] 本發(fā)明提供了一種作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置。
[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0011] 一種作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置，用于作用力平衡實(shí)驗(yàn)；作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置 主要由圓形量角器、細(xì)線、彈簧秤與支撐環(huán)組成，支撐環(huán)上有分布的掛孔，圓形量角器有一 個(gè)中心開(kāi)孔；多根細(xì)線的一端穿過(guò)圓形量角器的中心開(kāi)孔固定連接在一起，每根細(xì)線的另 一端連接彈簧秤的一端，彈簧秤的另一端鉤在支撐環(huán)上的掛孔里。
[0012] 圓形量角器也可以有多個(gè)，全部或部分圓形量角器在中心開(kāi)孔之間通過(guò)細(xì)線和彈 簧秤相互連接，或者部分圓形量角器全部通過(guò)細(xì)線和彈簧秤與其它圓形量角器連接。
[0013]支撐環(huán)為圓形環(huán)、橢圓形環(huán)、多邊形環(huán)或不規(guī)則形狀環(huán)；圓形量角器采用360分度 或100分度的輕質(zhì)圓形全周量角器；細(xì)線也可以采用輕質(zhì)細(xì)繩或輕質(zhì)橡皮筋；彈簧秤采用 輕質(zhì)機(jī)械彈簧秤或輕質(zhì)數(shù)顯電子秤。
[0014]作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置有兩種形式：?jiǎn)蝹€(gè)圓形量角器的形式與多個(gè)圓形量角器 的形式。多量角器形式中其多個(gè)量角器構(gòu)成一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)，復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)中與支撐環(huán)連 接的圓形量角器稱為力學(xué)系統(tǒng)的外量角器，僅與其它圓形量角器連接的量角器稱為力學(xué)系 統(tǒng)的內(nèi)量角器。
[0015] 多個(gè)圓形量角器構(gòu)成的力學(xué)系統(tǒng)所受的外力由圓形量角器與支撐環(huán)之間的彈簧 秤顯示，力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部圓形量角器之間的內(nèi)部相互作用力由圓形量角器之間的彈簧秤顯 不O
[0016] 作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)在支撐環(huán)不同位置的掛孔連接多根細(xì)線和彈簧秤 對(duì)多個(gè)力進(jìn)行測(cè)量、實(shí)驗(yàn)。作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置可以通過(guò)調(diào)整細(xì)線的長(zhǎng)短與彈簧秤鉤 在支撐環(huán)上掛孔的位置非常方便地改變力的大小與方向。力的大小可以直接從彈簧秤上讀 出、力的方向可以直接從圓形全周量角器上讀出。
[0017] 由多個(gè)圓形量角器構(gòu)成作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置甚至可以測(cè)量顯示力學(xué)系統(tǒng)內(nèi) 部的相互作用力，使得看不見(jiàn)的、抽象的力的相互作用以及內(nèi)部作用力與外部作用力之間 的相互關(guān)系簡(jiǎn)單直觀地展現(xiàn)出來(lái)。
[0018]力是矢量，符合矢量運(yùn)算法則。但多個(gè)力一一矢量的運(yùn)算則比較復(fù)雜抽象，作用力 平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置是一種可以提供形象觀察、精確測(cè)量與平衡定律驗(yàn)證的工具。
[0019] 通過(guò)作用力平衡實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：一個(gè)沒(méi)有質(zhì)量的物體所受的力恒平衡，BP: 零質(zhì)量物體所受力的矢量和恒為零。這個(gè)結(jié)論稱為零質(zhì)量受力平衡定律，簡(jiǎn)稱受力平衡定 律。
[0020] 由此還可以得出一個(gè)推論：一個(gè)沒(méi)有慣量的物體所受的力偶矩恒平衡，即：零慣 量物體所受力偶矩的矢量和恒為零。這個(gè)結(jié)論稱為零慣量力偶矩平衡定律，簡(jiǎn)稱力偶矩平 衡定律。
[0021] 由于零質(zhì)量物體的慣量自然為零，因此零質(zhì)量物體既滿足受力平衡定律、又滿足 力偶矩平衡定律，則兩個(gè)定律統(tǒng)一表述為：一個(gè)沒(méi)有質(zhì)量的物體所受的力恒平衡、所受的力 偶矩恒平衡，即：零質(zhì)量物體所受力的矢量和恒為零、所受力偶矩的矢量和恒為零。這個(gè)結(jié) 論稱為：零質(zhì)量作用力平衡定律，簡(jiǎn)稱：作用力平衡定律或力衡定律。
[0022] 選取任意一點(diǎn)為轉(zhuǎn)心或任意定軸，可以得到另外一個(gè)推論：一個(gè)沒(méi)有慣量的物體 所受的力矩恒平衡，即：零慣量物體所受力矩的矢量和恒為零。這個(gè)結(jié)論稱為零慣量力矩平 衡定律，簡(jiǎn)稱力矩平衡定律。由于力矩的測(cè)量比力偶矩的測(cè)量更為容易，因此力矩平衡定律 更為常用。
[0023] 由此作用力平衡定律還可以表述為：一個(gè)沒(méi)有質(zhì)量的物體所受的力恒平衡、所受 的力矩恒平衡，即：零質(zhì)量物體所受力的矢量和恒為零、所受力矩的矢量和恒為零。
[0024] 作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置的圓形量角器、細(xì)線和彈簧秤均為輕質(zhì)物體，質(zhì)量很小 可近似為零，由此構(gòu)成力學(xué)系統(tǒng)的受力關(guān)系符合作用力平衡定律。由于力矩為受力與對(duì)應(yīng) 力臂長(zhǎng)度的乘積，因此通過(guò)對(duì)作用力平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算，作用力平衡定律可以得 到驗(yàn)證。
[0025] 作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置是帶有力大小與方向的測(cè)量裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本 低廉、使用方便等特點(diǎn)，在力學(xué)實(shí)驗(yàn)、作用力平衡定律驗(yàn)證、學(xué)習(xí)研宄與教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中有 廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1由圓形支撐環(huán)與單個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置。
[0027] 圖2由正方形支撐環(huán)與單個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置。
[0028] 圖3由橢圓形支撐環(huán)與兩個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置。
[0029] 圖4由長(zhǎng)方形支撐環(huán)與兩個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置。
[0030]圖5由圓形支撐環(huán)與三個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置。
[0031] 圖6由不規(guī)則形狀支撐環(huán)與四個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置。 [0032] 圖7由不規(guī)則形狀支撐環(huán)與四個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置。
[0033] 圖中各數(shù)字代號(hào)標(biāo)記表示的對(duì)象如下：
[0034] 1、圓形量角器2、細(xì)線3、彈簧秤4、中心開(kāi)孔5、支撐環(huán)6、掛孔

【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0036] 實(shí)施例
[0037] 一種作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置，用于作用力平衡實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也可以用于力學(xué)實(shí)驗(yàn)、 作用力平衡定律驗(yàn)證與學(xué)習(xí)研宄。
[0038] 由圓形支撐環(huán)與單個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
[0039] 由正方形支撐環(huán)與單個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
[0040] 由橢圓形支撐環(huán)與兩個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
[0041] 由長(zhǎng)方形支撐環(huán)與兩個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。
[0042] 由圓形支撐環(huán)與三個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。
[0043] 由不規(guī)則形狀支撐環(huán)與四個(gè)圓形量角器構(gòu)成的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu) 如圖6與圖7所示。
[0044] 作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置主要由圓形量角器1、細(xì)線2、彈簧秤3、支撐環(huán)5組成。 支撐環(huán)5采用金屬環(huán)或塑料環(huán)，支撐環(huán)5上有分布的單排或多排掛孔6。圓形量角器1有 一個(gè)較小的中心開(kāi)孔4,中心開(kāi)孔4又稱集線孔，多根細(xì)線2的一端穿過(guò)圓形量角器1的中 心開(kāi)孔4并通過(guò)打結(jié)、粘連或捆扎一個(gè)小物件等形式固定連接在一起，每根細(xì)線2的另一端 通過(guò)打結(jié)等方式各連接到對(duì)應(yīng)彈簧秤3的一端，彈簧秤3的另一端鉤在支撐環(huán)5上的掛孔 6里。
[0045] 圓形量角器1可以有多個(gè)，有些實(shí)驗(yàn)裝置的全部圓形量角器1之間通過(guò)細(xì)線2和 彈簧秤3相互連接，有些實(shí)驗(yàn)裝置的部分圓形量角器1之間通過(guò)細(xì)線2和彈簧秤3相互連 接，有些實(shí)驗(yàn)裝置有部分圓形量角器1全部通過(guò)細(xì)線2和彈簧秤3與其它圓形量角器1連 接。
[0046] 支撐環(huán)5采用圓形環(huán)、橢圓形環(huán)、多邊形環(huán)或不規(guī)則形狀環(huán)。
[0047] 細(xì)線2采用輕質(zhì)細(xì)繩或輕質(zhì)橡皮筋，用富有彈性的橡皮筋更便于調(diào)整拉力的大 小。
[0048] 圓形量角器1米用360分度或100分度的圓形全周量角器，100分度相對(duì)更為直 觀。
[0049] 圓形量角器1采用輕質(zhì)圓形量角器，可以減少由于量角器1的自重對(duì)測(cè)量結(jié)果的 影響。
[0050] 彈簧秤3采用輕質(zhì)機(jī)械彈簧秤或輕質(zhì)數(shù)顯電子秤，可以減少由于彈簧秤3的自重 對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
[0051] 由于機(jī)械彈簧秤與橡皮筋都富有彈性，機(jī)械彈簧秤與橡皮筋受力時(shí)都會(huì)產(chǎn)生拉伸 形變，機(jī)械彈簧秤與輕質(zhì)細(xì)繩配合、數(shù)顯電子秤與橡皮筋配合、特別是機(jī)械彈簧秤與橡皮筋 配合，使用時(shí)拉力大小的調(diào)整非常容易、方便。
[0052] 作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)多根細(xì)線2與多個(gè)彈簧秤3對(duì)多個(gè)拉力同時(shí)進(jìn)行測(cè) 量實(shí)驗(yàn)，并且還可以通過(guò)改變細(xì)線2的長(zhǎng)短調(diào)整拉力的大小。
[0053] 支撐環(huán)5為圓形環(huán)、橢圓形環(huán)或多邊形環(huán)，也可以是不規(guī)則形狀環(huán)，支撐環(huán)5上分 布的掛孔6便于彈簧秤3通過(guò)使掛鉤固定在支撐環(huán)5上的不同位置，調(diào)整細(xì)線2的受力方 向。
[0054] 作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置由于彈簧秤3所鉤掛孔6的位置不同時(shí)其掛孔6至圓形 量角器1中心開(kāi)孔4的距離也不同，因而彈簧秤3在調(diào)整掛孔6位置的同時(shí)也自然調(diào)整了 細(xì)線2的拉力大小，有助于產(chǎn)生豐富多樣的受力數(shù)據(jù)。
[0055] 單個(gè)圓形量角器的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置其細(xì)線2受力的大小可以直接從與 之相連的彈簧秤3上讀出、受力的方向可以直接從與之相連的圓形量角器1上讀出。
[0056] 多個(gè)圓形量角器的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置其細(xì)線2受力的大小也可以直接從 與之相連的彈簧秤3上讀出。兩個(gè)由細(xì)線2與彈簧秤3直接連接的相鄰圓形量角器1之間 基準(zhǔn)方向的角度差為細(xì)線2在兩個(gè)相鄰圓形量角器1上的角度讀數(shù)之和與半周角度之差。 所有圓形量角器1可以據(jù)此將基準(zhǔn)角度統(tǒng)一校正為同一個(gè)方向，細(xì)線2受力的方向可以直 接從與之相連的圓形量角器1上讀出；或圓形量角器1測(cè)得的方向與該圓形量角器基準(zhǔn)方 向相對(duì)于某個(gè)參考圓形量角器基準(zhǔn)方向的角度差進(jìn)行疊加即為所測(cè)力的方向。
[0057] 物體所受的合力，對(duì)于零質(zhì)量物體所受的合力Σ#s0。物體所受的合 力偶矩或合力矩ΣΑ=^，對(duì)于零慣量物體所受的合力偶矩或合力矩Σ&=〇。
[0058] 作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置的圓形量角器、細(xì)線與彈簧秤都為輕質(zhì)物體，因此對(duì)細(xì) 線上的受力影響較小，特別當(dāng)細(xì)線上的拉力較大時(shí)，圓形量角器、細(xì)線與彈簧秤的自重對(duì)受 力測(cè)量的影響可以忽略。
[0059] 受力平衡定律與力矩平衡定律以及作用力平衡定律可以通過(guò)作用力平衡定律實(shí) 驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算進(jìn)行較為精確的驗(yàn)證。
[0060] 零質(zhì)量物體的慣量為零，而輕質(zhì)物體可視為質(zhì)量為零，因此輕質(zhì)物體的受力分析、 力偶矩分析或力矩分析符合作用力平衡定律原理。
[0061] 由于在力學(xué)分析與研宄中輕質(zhì)物體的使用非常普遍，因此，作用力平衡定律的應(yīng) 用非常廣泛，用于作用力平衡實(shí)驗(yàn)、作用力平衡定律驗(yàn)證與研宄的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝 置因而也具有很大的應(yīng)用價(jià)值。
【權(quán)利要求】
1. 一種作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置，用于作用力平衡實(shí)驗(yàn)；其特征在于： 作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置主要由圓形量角器、細(xì)線、彈簧秤與支撐環(huán)組成，支撐環(huán)上有 分布的掛孔，圓形量角器有一個(gè)中心開(kāi)孔；多根細(xì)線的一端穿過(guò)圓形量角器的中心開(kāi)孔固 定連接在一起，每根細(xì)線的另一端連接彈簧秤的一端，彈簧秤的另一端鉤在支撐環(huán)上的掛 孔里。
2. 按權(quán)利要求1所述的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于： 所述的圓形量角器也可以有多個(gè)，全部或部分圓形量角器在中心開(kāi)孔之間通過(guò)細(xì)線和 彈簧秤相互連接，或者部分圓形量角器全部通過(guò)細(xì)線和彈簧秤與其它圓形量角器連接。
3. 按權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的作用力平衡定律實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于： 所述的支撐環(huán)為圓形環(huán)、橢圓形環(huán)、多邊形環(huán)或不規(guī)則形狀環(huán)； 所述的圓形量角器采用360分度或100分度的輕質(zhì)圓形全周量角器； 所述的細(xì)線也可以采用輕質(zhì)細(xì)繩或輕質(zhì)橡皮筋； 所述的彈簧秤采用輕質(zhì)機(jī)械彈簧秤或輕質(zhì)數(shù)顯電子秤。
【文檔編號(hào)】G09B23/08GK104485039SQ201410809282
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月23日
【發(fā)明者】朱嘉慧, 朱明
申請(qǐng)人:朱嘉慧