技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种教学用具，具体涉及一种匀速圆周运动
向心加速度演示仪。
背景技术
[0002] 做匀速圆周运动的物体具有的加速度称为向心加速度，产生向心加速度的
力称之为
向心力。学习使用的现行高中物理人教版教材是先学习向心加速度，再学习向心力。对于“向心加速度”大小计算公式的得出，教材上只有“进一步分析表明”这简单几个字，便直接给出其计算公式，详细的推导过程出现在“做一做”的小字部分，并且推导过程运用了极限、微分等超出高中生知识范围的大学数学知识，致使在学习过程中对向心
加速度计算公式不能完全理解和信服。实用新型内容
[0003] 鉴于此，本实用新型的目的是提供一种匀速圆周运动向心加速度演示仪。
[0004] 本实用新型的目的是通过以下的技术方案实现的，一种匀速圆周运动向心加速度演示仪，其特征在于：包括直杆8、减速
马达1、调速器2、
支撑体3和测速器4，所述减速马达设置于支撑体的上侧面，所述直杆的中点7与减速马达的
转轴连接；所述调速器和测速器分别设置于支撑体的两侧面，所述直杆的两端分别通过细软
导线9连接一
质量可调的物体；两细软导线与直杆两端的连接点分别记载连接端A和连接端B，连接端A与连接端B的距离可调；所述测试器为激光测速器，发射的激光垂直向上，所述直杆上在激光的路径上设置有反光纸10。
[0005] 进一步，所述直杆包括杆体I12和连接于杆体I两侧的杆体II13，所述反光纸固定于杆体 I上，所述杆体II上设置有若干挂钩11，两杆体II上的挂钩关于杆体I的中心对称。
[0006] 进一步，所述直杆包括中空的固定杆14和两中空的活动杆16，活动杆的直径小于固定杆的直径，活动杆穿装在固定杆内，所述固定杆、活动杆相对
位置上设置有数个
定位插孔，定位插孔内穿入有插销15，插销上设有
螺纹，并用
螺母拧紧固定在固定杆和活动杆上。
[0007] 由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下的优点：
[0008] 本实用新型可以演示匀速圆周运动物体向心加速度与
角速度、半径的定性关系。装置制作简单，实验现象明显、形象直观，原理不复杂，有助于学生对向心加速度计算公式的理解，提高学生的学习兴趣。
附图说明
[0009] 为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，其中：
[0010] 图1为本实用新型的结构图；
[0012] 图3为直杆另一种实施例的主视图；
[0013] 图4为图3的俯视图；
[0014] 图5为当物体稳定转动在
水平面内做匀速圆周运动时的受力分析图；
[0015] 图6为本实用新型静止时的示意图。
具体实施方式
[0016] 以下将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。
[0017] 如图1所示，一种匀速圆周运动向心加速度演示仪，包括直杆8、减速马达1、调速器2、支撑体3和测速器4，所述减速马达设置于支撑体的上侧面，所述直杆的中点7与减速马达的转轴连接；所述调速器和测速器分别设置于支撑体的两侧面，所述直杆的两端分别通过细软导线9连接一质量可调的物体5、6；两细软导线与直杆两端的连接点分别记载连接端A和连接端B，连接端A与连接端B的距离可调；所述测速器为激光测速器，发射的激光垂直向上，所述直杆上在激光的路径上设置有反光纸10。
[0018] 如图2所示，所述直杆包括杆体I12和连接于杆体I两侧的杆体II13，所述反光纸固定于杆体I上，所述杆体II上设置有若干挂钩11，两杆体II上的挂钩关于杆体I的中心对称。通过选择不同的挂钩，可以调节AB的距离，两细软导线挂在挂钩上。
[0019] 如图3所示，所述直杆包括中空的固定杆14和两中空的活动杆16，活动杆的直径小于固定杆的直径，活动杆穿装在固定杆内，所述固定杆、活动杆相对位置上设置有数个定位插孔，定位插孔内穿入有插销15，插销上设有螺纹，并用螺母拧紧固定在固定杆和活动杆上。
[0020] 通过对位固定杆与活动杆不同的定位插孔，可以改变AB的距离。
[0021] 如图1所示，当物体在水平面上做匀速圆周运动时，其圆心位于过O点的竖直轴上，通过图中的几何关系可以得出物体圆周运动半径 式中l为细软导线L1或L2的长度。
[0022] 角速度的测定
[0023] 运用测速器很容易得到杆AB的角速度。测速器原理类似于光电
门，打开
开关后测速器将向上发出红色激光，每当杆运动到测速器上方的时候，杆下侧所贴的反光纸将反射激光，测速器接收到反射回来的光
信号后将记次，通过两次记次的时间间隔进行换算最终在显示屏上显示杆圆周运动的
频率。由于测速时杆的左右两端都会挡光，因此测出的频率是实际频率的两倍，将显示频率除以2，再通过频率与角速度的关系ω＝2πf即可得到杆的角速度。
[0024] 向心加速度的测定
[0025] 当物体稳定转动在水平面内做匀速圆周运动时，对物体进行受力分析，如图5所示。根据物体运动特点，其竖直方向上合力为零，水平方向上合力为F＝mgtanα，式中m为物体质量， g为
重力加速度。根据
牛顿第二定律F＝ma，可以得到向心加速度a＝gtanα。从该式可以看出，向心加速度a的大小可以由导线在稳定运动时与竖直方向的夹角α来唯一表征。因此，如果调节调速器改变物体圆周运动的角速度，那么导线与竖直方向的夹角α的变化情况就表征着向心加速度a的变化情况。实验时保持其它因素不变，增大(或减小)角速度ω，观察到导线与竖直方向的夹角α增大(或减小)，则说明角速度ω越大，向心加速度a越大；然后保证其它因素不变，增大(或减小)半径r(可通过改变AB长度来实现)，观察到导线与竖直方向的夹角α增大(或减小)，则说明半径r越大，向心加速度a越大，从而可以定性演示验证a＝ω2r 的正确性。如要定量验证a＝ω2r的正确性，则gtanα＝ω2r成立，将r的计算式代入可以得到 可见一个ω对应着一个α。只要测出α、l和线段AB的大小就可以计算出ω的大小。如果测速器测出的ω大小与计算出的ω大小相等，就定量验证了向心加速度大小计算式a＝ω2r的正确性。
[0026] 定性演示向心加速度a随角速度ω的增大而增大
[0027] 向物体D、E中加入相同质量的水，并在实验过程中保持不变。调节调速器旋钮到最低速度位置。静止水平放置装置，并使两物体静止，如图6所示。
[0028] 打开
电池盒开关，缓慢调节调速器旋钮使物体角速度ω增加，观察到加速过程中两侧细导线与竖直方向的夹角α增加，说明向心加速度在增大。在整个操作过程中，角速度是唯一人为改变的物理量，由此定性演示了向心加速度a随角速度ω的增大而增大。
[0029] 定性演示向心加速度a随半径r的增大而增大
[0030] 向物体D、E中加入相同质量的水，并在实验过程中保持不变。调节调速器旋钮到某一速度位置，并在实验过程中保持不变。静止水平放置装置，并使两物体静止，如图6所示。
[0031] 选择一个AB长度，打开电池盒开关，观察物体稳定做匀速圆周运动时，两侧细导线与竖直方向的夹角α的大小；然后关闭开关，改变AB的长度，再打开电池盒开关，再观察物体稳定做匀速圆周运动时，两侧细导线与竖直方向的夹角α的大小。实验现象表明：AB增大时，两侧细导线与竖直方向的夹角α增大，说明向心加速度在增大。AB增大，物体做匀速圆周运动的半径r随之增大，在整个操作过程中，半径r是唯一人为改变的物理量，由此定性演示了向心加速度a随半径r的增大而增大。
[0032] 以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些
修改和变型属于本实用新型
权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
