一种向心力实验装置及运动物体做匀速圆周运动的半径计算方法与流程

本发明涉及教学设备的技术领域，尤其是指一种向心力实验装置及运动物体做匀速圆周运动的半径计算方法。

背景技术：

向心力问题是物理学中力学部分的重要内容之一，重点是做圆周运动的物体所受向心力与运动角速度、运动线速度、运动半径、运动对象质量之间的关系。在教学中仅仅通过教师讲解使学习者理解和接受是很困难的，必须要得到实验支持。

现在所能知悉的向心力教学实验方案和实验装置有一个共同的缺陷，就是只研究向心力与角速度的关系，而不能研究向心力与所有影响因素间的关系。

有鉴于此，本发明的发明人为了解决上述问题，而深入构思，且积极研究改良试做而开发设计出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单及便于研究向心力与所有影响因素间关系的向心力实验装置。

为达到上述目的，本发明的解决方案为：

一种向心力实验装置，包括：转盘电机、丝杆电机、转盘、滑台、电阻尺、运动物体及漫反射激光传感器，所述转盘电机带动转盘做匀速圆周运动，所述滑台朝向转盘圆心的面上设有一压力传感器，所述运动物体顶抵于压力传感器，所述运动物体随转盘做匀速圆周运动；所述丝杆电机的丝杆带动滑台朝向转盘圆心运动或者远离转盘圆心运动，所述丝杆电机可拆地固设于转盘上；所述电阻尺的传动轴可伸缩地连接固定于滑台，所述电阻尺可拆地固设于转盘上；所述运动物体的下方凸伸有一挡块，所述运动物体每转动一周，所述挡块的中轴线上的对位点会对位于漫反射激光传感器一次。

一种向心力实验装置，还包括支架，所述漫反射激光传感器可拆地固设于支架朝向挡块的面上。

所述支架为倒l型。

所述滑台穿设有一光杆，所述光杆的底座可拆地固设于转盘上。

所述转盘上可拆地固设有一开口滑轨，所述运动物体可滑动地设于开口滑轨上，所述挡块穿设开口滑轨的中部，所述挡块设于转盘的下方。

所述转盘上可拆地固设有一第一限位件及一第二限位件，所述滑台受限于第一限位件与第二限位件之间运动。

一种向心力实验装置，还包括支撑座，所述支撑座上设有总控制电路模块，所述转盘电机固设于支撑座上，所述转盘电机的输出轴上连接一带孔转接头，所述带孔转接头内设有一导电滑环，所述总控制电路模块的连接线绕设至导电滑环内，并伸出带孔转接头的孔，且连接至转盘电机、丝杆电机、漫反射激光传感器及电阻尺。

所述总控制电路模块上设有一可对转盘电机进行调速的调速电位器、一丝杆电机控制电路模块、一转盘电机控制电路模块及一ad转换电路模块，所述调速电位器电性连接转盘电机控制电路模块及转盘电机，所述丝杆电机控制电路模块电性连接丝杆电机，所述漫反射激光传感器及电阻尺均电性连接ad转换电路模块。

所述运动物体为小车。

所述小车上设有一固定杆，所述固定杆上选择性设置砝码。

一种运动物体做匀速圆周运动的半径计算方法，应用上述向心力实验装置，所述挡块的宽度等于运动物体经由△t时间内所走的位移大小△l，包括以下步骤：

步骤一：利用漫反射激光传感器测出△t，即所述挡块的前边缘对位挡住漫反射激光传感器的时间为t1,所述挡块的后边缘对位挡住漫反射激光传感器的时间为t2,t1、t2均由漫反射激光传感器测得，△t＝t2-t1；

步骤二：利用漫反射激光传感器计算出所述挡块的中轴线上的对位点对位两次漫反射激光传感器的时间差，即运动物体做匀速圆周运动的周期t；

步骤三：根据α＝(δt/t)×360计算出运动物体于△t时间内所转过的角度；

步骤四：根据计算出运动物体做匀速圆周运动的半径。

采用上述技术方案后，本发明通过转盘电机、丝杆电机、转盘、滑台、电阻尺、运动物体及漫反射激光传感器，根据牛顿第三运动定律可知，所述压力传感器可以测出运动物体对滑台的压力大小，所述滑台对运动物体的反作用力提供了运动物体做匀速圆周运动的向心力，运动物体做匀速圆周运动的向心力大小等于运动物体对滑台的压力大小，所述电阻尺可以测出运动物体做匀速圆周运动的半径，所述漫反射激光传感器可以测出运动物体做匀速圆周运动的周期，从而根据f＝mr(2π/t)²可以计算出运动物体做匀速圆周运动的向心力，经由所计算出的运动物体做匀速圆周运动的向心力与运动物体对滑台的压力大小比较可以得出向心力与所有影响因素间关系，让研究向心力与影响因素间关系变得便利，且本发明结构简单。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为本发明的局部立体图(1)。

图3为本发明的局部立体图(2)。

【符号说明】

转盘电机1

带孔转接头11

丝杆电机2

丝杆21

转盘3

开口导轨31

滑台4

压力传感器41

电阻尺5

传动轴51

小车61砝码62挡块63固定杆64

中轴线上的对位点o前边缘a后边缘b

漫反射激光传感器7

支架8

光杆9

光杆的底座91

第一限位件01第二限位件02

支撑座03

调速电位器041

丝杆电机控制电路模块042

转盘电机控制电路模块043

ad转换电路模块044

连接线05。

具体实施方式

为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及构造，兹绘图就本发明较佳实施例详加说明其特征与功能如下，以利完全了解。

请参阅图1至图3所示，本发明揭示了一种向心力实验装置，包括：转盘电机1、丝杆电机2、转盘3、滑台4、电阻尺5、运动物体及漫反射激光传感器7，所述转盘电机1带动转盘3做匀速圆周运动，所述滑台4朝向转盘3圆心的面上设有一压力传感器41，所述运动物体顶抵于压力传感器41，所述运动物体随转盘3做匀速圆周运动；所述丝杆电机2的丝杆21带动滑台4朝向转盘3圆心运动或者远离转盘3圆心运动，所述丝杆电机2可拆地固设于转盘3上；所述电阻尺5的传动轴51可伸缩地连接固定于滑台4，所述电阻尺5可拆地固设于转盘3上；所述运动物体的下方凸伸有一挡块63，所述运动物体每转动一周，所述挡块63的中轴线上的对位点o会对位于漫反射激光传感器7一次；所述丝杆电机2的丝杆21与电阻尺5的传动轴51平行间隔设置；其中，压力传感器41可以选用薄膜压力传感器。

因此，本发明通过转盘电机1、丝杆电机2、转盘3、滑台4、电阻尺5、运动物体及漫反射激光传感器7，根据牛顿第三运动定律可知，所述压力传感器41可以测出运动物体对滑台4的压力大小，所述滑台4对运动物体的反作用力提供了运动物体做匀速圆周运动的向心力，运动物体做匀速圆周运动的向心力大小等于运动物体对滑台4的压力大小，所述电阻尺5可以测出运动物体做匀速圆周运动的半径，所述漫反射激光传感器7可以测出运动物体做匀速圆周运动的周期，从而根据f＝mr(2π/t)²可以计算出运动物体做匀速圆周运动的向心力，经由所计算出的运动物体做匀速圆周运动的向心力与运动物体对滑台4的压力大小比较可以得出向心力与所有影响因素间关系，让研究向心力与影响因素间关系变得便利，且本发明结构简单；其中，所述漫反射激光传感器7也可以测出运动物体做匀速圆周运动的线速度，也可以根据计算出运动物体做匀速圆周运动的向心力，计算出的运动物体做匀速圆周运动的向心力大小可能与运动物体对滑台4的压力大小存在误差，但是在误差范围内的数据也是可以说明计算出的运动物体做匀速圆周运动的向心力大小等于运动物体对滑台4的压力大小，所述电阻尺测得的输出数据(即动端的电压值)与直线运动距离成线性关系，所以可以测出运动物体做匀速圆周运动的半径。

再者，为了便于固定漫反射激光传感器7，本发明还可以包括支架8，所述漫反射激光传感器7可拆地固设于支架8朝向挡块63的面上。

接着，所述滑台4可以穿设有一起平衡作用的光杆9，所述光杆的底座91可拆地固设于转盘3上，从而利用光杆9的设置，让滑台4可以平稳地设于转盘上。

进一步，所述转盘3上可拆地固设有一开口滑轨31，所述运动物体可滑动地设于开口滑轨31上，所述挡块63穿设开口滑轨的中部，所述挡块63设于转盘3的下方，所述开口导轨31的开口对位于压力传感器41，从而便于运动物体沿开口导轨31滑动，并随着转盘3转动而撞击至压力传感器41。

其次，所述转盘3上可拆地固设有一第一限位件01及一第二限位件02，所述滑台4受限于第一限位件01与第二限位件02之间运动，从而利用第一限位件01及第二限位件02的设置，便于限制滑台4的可移动距离，其中，所述第一限位件01间隔对位设于滑台4朝向转盘3圆心的面的一侧，所述第二限位件02间隔对位设于滑台4远离转盘3圆心的面的一侧，所述光杆的底座91与第二限位件02对位间隔设置。

进一步，本发明还可以包括支撑座03，所述支撑座03上设有总控制电路模块，所述转盘电机1固设于支撑座03上，所述转盘电机1的输出轴上连接一带孔转接头11，所述带孔转接头11内设有一导电滑环，所述总控制电路模块的连接线05绕设至导电滑环内，并伸出带孔转接头11的孔，且连接至转盘电机1、丝杆电机2、漫反射激光传感器7及电阻尺5，利用导电滑环与带孔转接头11的设置，使得连接线05可以进行转动并不会缠绕；且为了便于设置连接线05，所述支架8可以为倒l型。

另外，所述总控制电路模块上可以设有一可对转盘电机1进行调速的调速电位器041、一丝杆电机控制电路模块042、一转盘电机控制电路模块043及一ad转换电路模块044，所述调速电位器041电性连接转盘电机控制电路模块043及转盘电机1，所述丝杆电机控制电路模块042电性连接丝杆电机2，所述漫反射激光传感器7及电阻尺5均电性连接ad转换电路模块044，从而便于控制转盘电机1、丝杆电机2、漫反射激光传感器7及电阻尺5。

其中，所述运动物体可以为小车61，但并不以此为限；所述小车61上可以设有一固定杆64，所述固定杆64上选择性设置砝码62，从而利用增减砝码62，使得可以保持运动物体做匀速圆周运动的周期及运动物体做匀速圆周运动的半径不变，运动物体的质量不同，观察本发明所测得多组运动物体对滑台4的压力大小与运动物体的质量关系。

本发明还揭示了一种运动物体做匀速圆周运动的半径计算方法，应用上述向心力实验装置，所述挡块63的宽度(即挡块63的前边缘a与后边缘b之间的距离)等于运动物体经由△t时间内所走的位移大小△l，包括以下步骤：

步骤一：利用漫反射激光传感器7测出△t，即所述挡块63的前边缘a对位挡住漫反射激光传感器7的时间为t1,所述挡块63的后边缘b对位挡住漫反射激光传感器7的时间为t2,t1、t2均由漫反射激光传感器7测得，△t＝t2-t1；

步骤二：利用漫反射激光传感器7计算出所述挡块63的中轴线上的对位点对位两次漫反射激光传感器7的时间差，即运动物体做匀速圆周运动的周期t；

步骤三：根据α＝(δt/t)×360计算出运动物体于△t时间内所转过的角度；

步骤四：根据计算出运动物体做匀速圆周运动的半径。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，本发明的组成部件的数量并不以上述为限，本领域的技术人员仍可能基于本发明的揭示而作各种不背离本发明创作精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为权利要求书所涵盖。

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