本發(fā)明涉及科普教育技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種探究圓周運動的演示互動裝置。

背景技術(shù)：

圓周運動是物理學(xué)中的重要知識點。教師在教學(xué)過程中，一般通過畫圖的方式幫助學(xué)生理解，既不直觀也缺乏趣味性，學(xué)生不能將現(xiàn)象與數(shù)值相結(jié)合的理解。目前有關(guān)圓周運動的實驗演示器材，功能簡單、單一，基本上停留在定性層面上。如公開號CN 103794117 A，CN105070155 A，CN204143706 U等專利功能簡單，基本停留在定性層面，不能定量探究，不能使學(xué)生通過改變參數(shù)去探究圓周運動的特點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種不僅讓學(xué)生通過演示直觀了解圓周運動，還能讓學(xué)生通過改變參數(shù)，公式推導(dǎo)對圓周運動中的向心力、力的分解等知識進行學(xué)習(xí)的探究圓周運動的演示互動裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

一種探究圓周運動的演示互動裝置，包括箱體及設(shè)在所述箱體上的旋轉(zhuǎn)組件，所述的旋轉(zhuǎn)組件通過皮帶與變頻電機相連；在所述的旋轉(zhuǎn)組件的中間設(shè)有LED燈柱，在所述LED燈柱內(nèi)設(shè)有呈直線整列排列的LED燈珠，按照對稱固定于所述LED燈柱兩側(cè)的是兩個中空的弧形容器，兩個中空的弧形容器固定后呈半圓形狀，在兩個中空的弧形容器內(nèi)各設(shè)有一個小球；在所述箱體上還設(shè)有控制系統(tǒng)，所述的控制系統(tǒng)包括觸摸屏和運動控制卡，所述的運動控制卡用于控制所述變頻電機的轉(zhuǎn)速及LED燈珠的開關(guān)，所述的觸摸屏與所述的運動控制卡通訊連接。

優(yōu)選地，在所述的箱體頂端還設(shè)有防護罩。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明一種探究圓周運動的演示互動裝置，通過控制變頻電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對兩個中空的弧形容器的變速旋轉(zhuǎn)，從而帶動分別設(shè)在兩個中空的弧形容器內(nèi)的小球在圓周運動的過程中受力而上升到不同的高度，通過控制系統(tǒng)不僅讓學(xué)生通過演示直觀了解圓周運動，還能讓學(xué)生通過改變參數(shù)，公式推導(dǎo)對圓周運動中的向心力、力的分解等知識進行學(xué)習(xí)的探究圓周運動的演示互動裝置。

附圖說明

圖1為本發(fā)明主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明小球7的受力分析結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4中：F為弧形容器內(nèi)壁對小球的支持力，G為小球的重力，f為小球做圓周運動的向心力，H為小球停留在弧形容器內(nèi)壁的高度，R為弧形容器的半徑。

具體實施方式

參見附圖1-4所示，一種探究圓周運動的演示互動裝置，包括箱體1及設(shè)在所述箱體1上的旋轉(zhuǎn)組件2，所述的旋轉(zhuǎn)組件2通過皮帶3與變頻電機4相連；在所述的旋轉(zhuǎn)組件2的中間設(shè)有LED燈柱5，在所述LED燈柱5內(nèi)設(shè)有呈直線整列排列的LED燈珠，按照對稱固定于所述LED燈柱5兩側(cè)的是兩個中空的弧形容器6，兩個中空的弧形容器6固定后呈半圓形狀，在兩個中空的弧形容器6內(nèi)各設(shè)有一個小球7；在所述箱體1上還設(shè)有控制系統(tǒng)，所述的控制系統(tǒng)包括觸摸屏8和運動控制卡，所述的運動控制卡用于控制所述變頻電機4的轉(zhuǎn)速及LED燈珠的開關(guān)，所述的觸摸屏8與所述的運動控制卡通訊連接。

優(yōu)選地，在所述的箱體1頂端還設(shè)有防護罩9。

具體操作方式及工作原理為，本發(fā)明一種探究圓周運動的演示互動裝置，具體見附圖1-3所示，通過在控制系統(tǒng)的觸摸屏8內(nèi)輸入變頻電機4的轉(zhuǎn)速參數(shù)后，變頻電機4轉(zhuǎn)動通過皮帶3帶動旋轉(zhuǎn)組件2的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)組件2旋轉(zhuǎn)帶動與之連接的兩個中空的弧形容器6高速旋轉(zhuǎn)，分別設(shè)在兩個中空的弧形容器6內(nèi)的小球7由于離心力的作用，小球7會沿弧形容器6的內(nèi)部向上運動，如圖4所示，當(dāng)小球7到達一定高度H，此時弧形容器6的內(nèi)壁對小球7的支持力F在豎直方向的分力抵消小球7重力G的作用，支持力F在水平方向的分力f能夠為小球7做半徑為r的勻速圓周運動提供向心力，小球7會停留在此高度H。

根據(jù)受力分析：

G=F*cosα；f=F*sinα；

從而有：f=G*tanα；

根據(jù)向心力的計算公式：f=m*r*ω2 其中m為小球7質(zhì)量，r為做圓周運動的半徑，ω為小球7做圓周運動的角速度。

推導(dǎo)出：G*tanα=m*r*ω2；

又由G=mg（g為重力加速度量）；

r=R*sinα；

帶入上面公式推導(dǎo)出：cosα=g/(R*ω2)；

由圖中知道：H=R*(1-cosα)；

所以H=R*(1-g/(R*ω2))；

公式總g和R都是定量，高度H與角速度ω有關(guān)，弧形容器6的旋轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化，小球7停留的高度也會相應(yīng)的發(fā)生變化。本發(fā)明通過控制變頻電機4的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對兩個中空的弧形容器6的變速旋轉(zhuǎn)，從而帶動分別設(shè)在兩個中空的弧形容器6內(nèi)的小球7在圓周運動的過程中受力而上升到不同的高度，通過控制系統(tǒng)不僅讓學(xué)生通過演示直觀了解圓周運動，還能讓學(xué)生通過改變參數(shù)，公式推導(dǎo)對圓周運動中的向心力、力的分解等知識進行學(xué)習(xí)的探究圓周運動的演示互動裝置。優(yōu)選地，還可以在控制系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先設(shè)置各種參數(shù)，通過觸摸屏選擇難度，難度等級分為：初級和高級；在操作過程中如果觀眾選擇初級難度：觸摸屏出現(xiàn)“速度”選擇界面，觀眾可以選擇不同的旋轉(zhuǎn)速度，并點擊“啟動”，讓弧形容器6以不同的速度旋轉(zhuǎn)，觀察LED燈柱5內(nèi)的LED燈珠的亮起高度，可以了解到在這一轉(zhuǎn)速下，小球7停留在弧形容器6內(nèi)壁上的高度。如果觀眾選擇高級難度，控制系統(tǒng)會隨機給弧形容器6一個速度，觸摸屏上顯示出這一轉(zhuǎn)速ω，觀眾根據(jù)公式推導(dǎo)出在速度ω下小球7會停留在哪個高度H，并在選項中選擇，然后點擊“啟動”，led燈柱5內(nèi)代表此高度的LED燈珠會亮起；同時弧形容器6會旋轉(zhuǎn)起來直到以速度ω做勻速轉(zhuǎn)動，觀察led燈珠逐漸亮起，驗證觀眾的計算是否正確，如果led燈珠恰好到達觀眾選擇的高度，則計算正確，此時系統(tǒng)會播放獎勵音樂；如果led燈珠亮起的高度小于或大于觀眾選擇的高度，則計算錯誤，此時系統(tǒng)會播放鼓勵語音。綜所上述，該裝置既可以使觀眾直觀了解圓周運動現(xiàn)象，也可以使觀眾通過改變速度參數(shù)，進行公式推導(dǎo)對向心力進行深刻學(xué)習(xí)。

以上所述，僅是對本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明做其他形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是，凡是未脫離本發(fā)明方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明的保護范圍。