技术领域
[0001] 本
发明属于教学装置技术领域，尤其是涉及一种圆周运动教学装置及使用方法。
背景技术
[0002] 圆周运动以向心
力提供运动物体所需的向心
加速度。这
向心力把运动物体拉向圆形轨迹的中心点。若果没有向心力，物体会跟随
牛顿第一定律惯性地进行直线运动。即使物体速率不变，物体的速度方向也在不停地改变。即匀速圆周运动中，线速度改变方向；，而
角速度不变。质点在以某点为圆心半径为r的圆周上运动，即质点运动时其轨迹是圆周的运动叫“圆周运动”。
[0003] 圆周运动是中小学乃至高中教学的一个主要课程，主要是为了让学生理解何为圆周运动以及让学生了解圆周运动过程中各参数之间的关系等。圆周运动的参数包括有角速度w、转速n、圆周半径r、
向心加速度a等，在以往的教学中，老师都是一步步通过公式的方式推导各参数之间的关系，例如线速度V＝s/t＝2πr/T，角速度w与线速度V之间的关系为V＝2
wr，所以我们推导出w＝2πr/T,向心加速度与线速度V之间的关系为a＝V/r,那么向心加速度a与角速度w之间的关系为a＝w2r，而角速度与转速的关系为w＝2πn，所以向心加速度与转速及圆周半径的关系为a＝4π2r；n2，从传统的推导方式我们可以得出向心加速度与转速的关系为：向心加速度的大小与转速的平方呈正比；向心加速度与圆周半径的关系为：向心加速度的大小与圆周运动的半径呈正比。但是这样学生只能机械地得到结论而已，有时候甚至是通过死背公式记得向心加速度与圆周半径和转速的关系，时间久了就容易遗忘。传统教学中没有装置能够帮助学生形象生动地了解圆周运动，也无法使学生在圆周运动的实验过程中学习到向心加速度、圆周半径和转速之间的关系。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对上述问题，提供一种用于圆周运动课程辅助教学的圆周运动教学装置；
[0005] 本发明的另一目的是针对上述问题，提供一种上述圆周运动教学装置的使用方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
[0007] 一种圆周运动教学装置，从下至上依次包括底座、固定在底座上的
电机及由所述电机带动而进行圆周运动的转动圆盘，所述电机电性连接于
控制器，所述转动圆盘上安装有能够跟随所述转动圆盘一起转动的径向
支架杆，所述径向支架杆上通过圆周半径调节机构连接有用于检测当前圆周半径下向心加速度大小的向心加速度测量装置，所述向心加速度测量装置无线连接于所述控制器。
[0008] 在上述的圆周运动教学装置中，所述向心加速度测量装置包括
姿态传感器、无线模
块和
蓄电池，所述
蓄电池分别连接于所述姿态传感器和无线模块，所述姿态传感器的输出端连接于所述无线模块，所述无线模块无线连接于所述控制器。
[0009] 在上述的圆周运动教学装置中，所述圆周半径调节机构包括两条相互平行且轴向开设在所述径向支架杆上的第一滑轨，所述向心加速度测量装置底部具有与所述第一滑轨相适应的滑块，且至少一条第一滑轨的一旁平行标注有以圆周运动的旋
转轴线为起点的刻度线。
[0010] 在上述的圆周运动教学装置中，所述转动圆盘的中部固定穿设有连接结构，所述连接结构的下端连接于所述电机的
输出轴，所述连接结构的上端连接于所述径向支架杆以将所述径向支架杆安装在所述转动圆盘上。
[0011] 在上述的圆周运动教学装置中，所述连接结构连接于所述径向支架杆的中部，所述第一滑轨开设在所述径向支架杆中部的一侧，所述径向支架杆中部的另一侧开设有两条分别与所述第一滑轨相对设置的第二滑轨，所述第二滑轨上具有能够在所述第二滑轨上轴向移动的
配重块，且至少一条第二滑轨的一旁平行标注有以圆周运动的
旋转轴线为起点的刻度线。
[0012] 在上述的圆周运动教学装置中，所述电机连接有用于调节所述电机转速的可调电位器，所述底座上安装有用于检测所述转动圆盘转速的转速检测装置，所述转速检测装置连接于所述控制器。
[0013] 在上述的圆周运动教学装置中，所述转动圆盘为光栅盘，所述转速检测装置包括相对设置的激光
探头和光敏传感器，且所述激光探头和光敏传感器分别位于所述光栅盘的两侧，所述激光探头和所述光敏传感器分别连接于所述控制器。
[0014] 在上述的圆周运动教学装置中，所述激光探头位于所述光栅盘的下方且固定在所述底座上，所述光敏传感器位于所述光栅盘的上方且通过传感器支架安装在所述底座上。
[0015] 在上述的圆周运动教学装置中，所述底座包括圆盘底和多个固定在所述圆盘底并将所述圆盘底
支撑的盘底支架，所述电机固定在所述圆盘底的底部，所述激光探头固定在所述盘底支架上且位于所述圆盘底的周向外侧，所述传感器支架呈7字型结构，且所述传感器支架的底部固定在所述盘底支架上，所述光敏传感器固定在传感器支架的顶部并位于所述激光探头的正上方。
[0016] 一种基于上述圆周运动教学装置的使用方法，包括：
[0017] A.控制圆周半径一定，设置不同转速以使电机在不同转速下工作，并在不同转速下分别获取向心加速度；
[0018] B.设置转速一定，调整圆周半径以使向心加速度测量装置在不同圆周半径下转动，并在不同圆周半径下分别获取向心加速度；
[0019] C.记录步骤A中的圆周半径，及不同转速和各转速下对应的向心加速度值；记录步骤B中的转速，及不同圆周半径和各圆周半径下对应的向心加速度值；
[0020] D.将步骤A中的转速和向心加速度值做
可视化处理；将步骤B中的圆周半径和向心加速度值做可视化处理。
[0021] 本发明的优点在于：1、结构简单、使用方便；2、实验生动有趣，能够提高学生的学习兴趣及新知识接收程度；3、使用实验的方式使学生一步步深入了解圆周运动多个参数之间的关系，加强学习记忆强度。
附图说明
[0022] 图1是本发明圆周运动教学装置的主视图；
[0023] 图2是本发明圆周运动教学装置的俯视图；
[0024] 图3是本发明圆周运动教学装置
硬件框架图；
[0025] 图4是本发明转动圆盘的结构示意图；
[0026] 图5是本发明底座与连接结构的连接示意图；
[0027] 图6是本发明圆盘底的结构示意图；
[0028] 图7是本发明盘底支架的结构示意图；
[0029] 图8是本发明径向支架杆的结构示意图；
[0030] 图9是根据本圆周运动教学装置实验数据得到的向心加速度与转速关系的可视化图表；
[0031] 图10是根据本圆周运动教学装置实验数据得到的向心加速度与转速平方关系的可视化图表；
[0032] 图11是根据本圆周运动教学装置实验数据得到的向心加速度与圆周半径关系的可视化图表。
[0033] 附图标记：底座1；圆盘底11；盘底支架12；电机2；可调电位器21；转动圆盘3；通孔31；控制器4；径向支架杆5；刻度线51；配重块52；大过孔53；小过孔54；电机安装孔55；圆周半径调节机构6；第一滑轨61；第二滑轨62；滑块63；安装孔64；向心加速度测量装置7；姿态传感器71；无线模块72；蓄电池73；连接结构8；状连接块81；
螺栓82；长
螺柱83；转速检测装置9；激光探头91；光敏传感器92；传感器支架93。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
[0035] 如图1-图3所示，本
实施例公开了一种圆周运动教学装置，从下至上依次包括底座1、固定在底座1上的电机2及由电机2带动而进行圆周运动的转动圆盘3，电机2电性连接于控制器4，控制器4可以为
单片机、微型计算机等能够接收并显示采集数据以及能够控制负载工作的装置，具体型号不在此进行限制。
[0036] 进一步地，转动圆盘3上安装有能够跟随转动圆盘3一起转动的径向支架杆5，径向支架杆5上通过圆周半径调节机构6连接有用于检测当前圆周半径下向心加速度大小的向心加速度测量装置7，向心加速度测量装置7无线连接于控制器4，由所述控制器4接收向心加速度测量装置7测量到的向心加速度值。
[0037] 具体地，由于向心加速度测量装置7需要进行圆周运动，为了减少干扰，本实施例尽量减少向心加速度测量装置7上的连线。具体方式为：向心加速度测量装置7包括姿态传感器71、无线模块72和蓄电池73，蓄电池73分别连接于姿态传感器71和无线模块72，由蓄电池73为整个向心加速度测量装置7供电，姿态传感器71的输出端直接或间接连接于无线模块72，无线模块72无线连接于控制器4，将测量到的数据通过无线模块72传输给控制器4。姿态传感器71是一种基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统，它包含三轴
陀螺仪、三轴
加速度计，三轴
电子罗盘等运动传感器，能够获取X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度等测量值。在我们的装置中，需要获取的是向心加速度，即Y轴上的加速度，有些姿态传感器默认读取的值是
重力加速度的个数，而不是加速度值本身，对于这些姿态传感器需要对Y轴的加速度值乘以重力加速度才能得到向心加速度的值。这里可以在向心加速度测量装置7上设置单片机一类的
电路板，然后通过单片机连接姿态传感器71，使单片机选择接收姿态传感器的Y轴加速度，并在单片机中预存将Y轴加速度的值乘以重力加速度值的简单
算法，然后由单片机将最终的向心加速度值通过无线模块72传输给控制器4；或者直接将Y轴的加速度值传输给控制器4，由控制器4执行数据选择和
数据处理。无线模块72可以为蓝牙模块、2.4G
数据网络模块、wifi模块、RFID无线模块72等，各无线传输的传输方式也属于
现有技术，不在此进行赘述。
[0038] 优选地，由于实验过程中需要对电机2转速进行实时调整，所以本实施例的电机2连接有用于调节电机2转速的可调电位器21，底座1上安装有用于检测转动圆盘3转速的转速检测装置9，转速检测装置9连接于控制器4。这里通过可调电位器调节电机2的转速，然后通过转速检测装置9获取电机2的准确数值，并将该转速传输给控制器4。
[0039] 具体地，转动圆盘3为如图4所示的光栅盘，转速检测装置9包括相对设置的激光探头91和光敏传感器92，且激光探头91和光敏传感器92分别位于转动圆盘3的两侧，激光探头91和光敏传感器92分别连接于控制器4，由控制器4控制激光探头91点亮或熄灭，同时光敏传感器92将转速检测数值传输给控制器4。
[0040] 进一步地，激光探头91位于光栅盘的下方且固定在底座1上，光敏传感器92位于光栅盘的上方且通过传感器支架93安装在底座1上。其中，如图5所示，底座1包括圆盘底11和多个固定在圆盘底11并将圆盘底11支撑的盘底支架12，电机2固定在圆盘底11的底部，这里有四个盘底支架12，四个盘底支架12均匀地分布在圆盘底11的下方。如图5和图6所示，圆盘底11中部开设有大过孔53，大过孔53的周向外侧均匀分布有四排小过孔54，每个盘底支架12通过一排小过孔54和贯穿小过孔54的螺栓固定在圆盘底11的底部。进一步地，圆盘底11上还具有电机安装孔55，电机2通过电机安装孔55和螺栓固定在圆盘底11的底部。如图7所示，盘底支架12呈近似Z字型结构，这样可以将激光探头91固定在盘底支架12上且位于圆盘底11的周向外侧。同样地，如图1所示，这里的传感器支架93呈具有竖直块和
水平块的7字型结构，传感器支架93的底部，即竖直块的底部通过螺栓固定方式固定在盘底支架12远离圆盘底11的一端，并使水平块朝向圆盘底11，光敏传感器92固定在传感器支架93的顶部，即水平块上靠近圆盘底11的一端以使光敏传感器92位于激光探头91的正上方，从而能够接收激光探头91的光
信号。
[0041] 具体地，转动圆盘3的圆心与圆盘底11的圆心位于同一竖直线上，圆盘底11的大过孔53处穿设有连接结构8，连接结构8的下端连接于电机2输出轴，连接结构8在电机2的带动下能够相对于圆盘底11进行周向旋转。如图4和图5所示，转动圆盘3的中部具有多个通孔31，连接结构8包括柱状连接块81和贯穿固定在柱状连接块81上的多个螺栓82，多个螺栓82下端连接电机2，上端一一穿过多个通孔31，然后使用具有螺孔的长螺柱83安装在螺栓82顶端以将转动圆盘3固定在连接结构8上。如图8所示，径向支架杆5的中部同样具有多个安装孔64，多个长螺柱83的上端分别一一穿过多个径向支架杆5的安装孔64，然后使用螺帽进行固定。通过前述方式将转动圆盘3连接于电机2，同时将径向支架杆5安装在转动圆盘3上。
[0042] 进一步地，圆周半径调节机构6包括两条相互平行且轴向开设在径向支架杆5上的第一滑轨61，向心加速度测量装置7底部具有与第一滑轨61相适应的滑块以使向心加速度测量装置7能够在第一滑轨61上进行轴向移动从而调
节圆周半径，且至少一条第一滑轨61的一旁平行标注有以圆周运动的旋转轴线为起点的刻度线51。通过调节向心加速度测量装置7的
位置改变其进行圆周运动的圆周半径，同时借助刻度线读取当前的半径数值。且优选地，连接结构8连接的是径向支架杆5的中部，第一滑轨61开设在径向支架杆5中部的一侧，径向支架杆5中部的另一侧开设有两条分别与第一滑轨61相对设置的第二滑轨62，第二滑轨62上具有能够在第二滑轨62上轴向移动的配重块，且至少一条第二滑轨62的一旁平行标注有以圆周运动的旋转轴线为起点的刻度线，配重块配合向心加速度测量装置7的移动而移动，用于保持径向支架杆5的水平平衡状态。
[0043] 需要说明的是，控制器4具有无线接收器以接收无线模块71发送过来的数据，控制器4可以设置在本装置的一旁，通过
连接线连接于电机2、激光探头91和光敏传感器92等器件。此外，控制器4可以通过连接显示器将接收到的数据进行显示，也可以连接于电脑以将数据传输给电脑，通过电脑显示数据，并使用存储在电脑中的
软件对数据进行可视化处理等操作。
[0044] 具体地，上述圆周运动教学装置的使用方法如下：
[0045] A.控制圆周半径一定，设置不同转速以使电机2在不同转速下工作，并在不同转速下分别获取向心加速度；
[0046] B.设置转速一定，调整圆周半径以使向心加速度测量装置7在不同圆周半径下转动，并在不同圆周半径下分别获取向心加速度；
[0047] C.记录步骤A中的圆周半径，及不同转速和各转速下对应的向心加速度值；记录步骤B中的转速，及不同圆周半径和各圆周半径下对应的向心加速度值；
[0048] D.将步骤A中的转速和向心加速度值做可视化处理；将步骤B中的圆周半径和向心加速度值做可视化处理。
[0049] 下面给出了使用本装置进行实验的实验步骤和实验数据：
[0050] 一.保持圆周半径r＝0.2不变，通过不断调节电位器得到如下数据表：
[0051]a(m/s*2) 0 1.08 1.76 2.45 5.09 6.86 10.29 11.95 15.09
n(r/s) 0 0.34 0.47 0.56 0.82 0.94 1.16 1.25 1.39
[0052] 通过手动或电脑进行可视化处理后，得到如图9所示的数据图表，从数据图表中，我们可以发现随着转速的提升，向心加速度也在不断增大，但是并不是直线增长，也就是说没有一定的数量关系。
[0053] 通过手动或电脑继续进行数据处理，试着寻找向心加速度a和转速n的平方之间的关系，得到如下数据表：
[0054]
[0055] 使用电脑或人工进行可视化处理后，得到如图10所示的数据图表，在这次的图表中，我们看到了非常明显的线性增长，说明向心加速度与转速的平方呈正比。
[0056] 二.接着控制转速不变的情况下，改变圆周运动的圆周半径，探究向心加速度和圆周半径之间的关系。当转速n为1.08时，改变半径大小，得到如下数据表：
[0057]
[0058] 通过手动或电脑进行可视化处理后，得到如图11所示的数据图表，从该图表中我们可以知道向心加速度的大小与圆周运动的半径呈正比。
[0059] 本实施例通过简单的结构，便捷的方法进行圆周运动的实验，使学生在进行生动有趣的实验过程中学习到向心加速度、转速和圆周半径的关系，提高学生学习乐趣，增强学生新知识记忆程度。
[0060] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的
修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附
权利要求书所定义的范围。
[0061] 尽管本文较多地使用了底座1；圆盘底11；盘底支架12；电机2；可调电位器21；转动圆盘3；通孔31；控制器4；径向支架杆5；刻度线51；配重块52；大过孔53；小过孔54；电机安装孔55；圆周半径调节机构6；第一滑轨61；第二滑轨62；滑块63；安装孔64；向心加速度测量装置7；姿态传感器71；无线模块72；蓄电池73；连接结构8；状连接块81；螺栓82；长螺柱83；转速检测装置9；激光探头91；光敏传感器92；传感器支架93等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
