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一种向心力光电测量演示仪

阅读：182发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种向心力光电测量演示仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且为了快速并准确地测量出向心力大小，更好地验证向心力公式，本发明提供一种向心力光电测量演示仪，涉及一种中学物理教学实验仪器。该演示仪通过低速电机带动刻度转板和摆球做稳定的匀速圆周运动，摆球运动由原来的手动控制变为电机控制，摆球的运动更接近标准的圆周运动，由刻度转板、摆球和摄像装置组成的“随动”结构能实时准确地测量摆球偏角，并采用光电门测量圆周运动周期，将实验过程由定性验证提升为定量测量，实验方式稳定性高、可重复性好，实验误差大大减小，更有利于实验探究教学的开展。，下面是一种向心力光电测量演示仪专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种向心力光电测量演示仪，其特征在于该演示仪主要由开关、调速旋钮、开关电源、低速电机、计时器、隔板、光电门、遮光杆、刻度转板、摆线、支架、轻质支架、滑槽、摄像头、调节螺母、摆球和中心转轴等组成，其中开关、调速旋钮、开关电源、低速电机和计时器都用螺丝固定安装在支架的隔板上方，光电门固定安装在支架的隔板下方，遮光杆和刻度转板都固定在中心转轴上且左右对称，摆球与摆线相连，摆线的另一端固定在刻度转板的右面的零刻线处，离中心转轴的距离是l，摄像头通过调节螺母固定在轻质支架的滑槽上，可以沿滑槽上下调节位置，轻质支架两端则通过调节螺母固定在刻度转板边沿的凹槽中，可以沿凹槽左右调节位置，低速电机的转轴与中心转轴连接，当电机运转时，带动中心转轴、遮光杆、刻度转板、摆线、摆球、轻质支架和摄像头一起转动，且能控制中心转轴的转速。
2.根据权利要求1所述的一种向心力光电测量演示仪，其特征在于该测量仪中的摄像头为能充电的微型移动摄像头，低速电机的供电电压为24V。

说明书全文

一种向心力光电测量演示仪

技术领域

[0001] 本发明涉及一种中学物理教学与实验仪器，尤其是一种向心力光电测量演示仪。

背景技术

[0002] 目前，在中学物理的向心力教学中，学生缺少实际体验，教学中缺少合适的技术手段，学生在学习理解和应用向心力知识上有一定的难度，学习积极性和兴趣不高。在高中《物理》必修2（人教版）的“向心力”一节中，验证向心力表达式的实验是圆锥摆。教材上的这个实验在设计、原理、操作和学生的参与性方面都很好，但在实际教学过程中还存在几点不足：1、因为是用手带动小球，小球很难沿某一个圆运动，用肉眼都能看出小球的运动轨迹不是圆；2、由于小球运动不规则，很难确定用哪个圆作为标记圆，实际操作的随机性很大；3、用肉眼目测小球的运动圈数和时间，很容易出错；4、记录的圈数一般不超过5圈，小球就会慢慢停摆；5、计算合力的计算量比较大。学生测出的实验结果误差很大，教师在教学中要做很多解释，导致学生对实验的可信度不高，达不到教学效果。

发明内容

[0003] 为了形象直观地演示向心力现象，验证向心力表达式，本发明提供一种向心力光电测量演示仪，通过实验验证向心力表达式，可以使枯燥的理论知识变得形象具体，学生容易接受。摆球的运动快慢由低速电机控制，可以使摆球的运动更接近匀速圆周运动，降低实验人员的控制难度，且操作方便，易于学生参与实验的全过程。

[0004] 本发明解决其技术问题所采用的方案主要有以下几点。

[0005] 1.这种向心力光电测量演示仪主要由开关、调速旋钮、开关电源、低速电机、计时器、隔板、光电门、遮光杆、刻度转板、摆线、支架、轻质支架、滑槽、摄像头、调节螺母、摆球和中心转轴等组成，其中开关、调速旋钮、开关电源、低速电机和计时器都用螺丝固定安装在支架的隔板上方，光电门固定安装在支架的隔板下方，遮光杆和刻度转板都固定在中心转轴上且左右对称，当遮光杆旋转时，刚好通过光电门的中间位置。

[0006] 2.该演示仪中的摆球与摆线相连，摆线的另一端固定在刻度转板的右面的零刻线处，离中心转轴的距离是l，当刻度转板旋转时，摆球才能获得一偏角。

[0007] 3.该演示仪中的摄像头通过调节螺母固定在轻质支架的滑槽上，可以沿滑槽上下调节位置，轻质支架两端则通过调节螺母固定在刻度转板边沿的凹槽中，可以沿凹槽左右调节位置。

[0008] 4.该演示仪中的低速电机的转轴与中心转轴连接，当电机运转时，带动中心转轴、遮光杆、刻度转板、摆线、摆球、轻质支架和摄像头一起转动，且能控制中心转轴的转速，由刻度转板、摆球和摄像装置组成的“随动”结构能实时准确地测量摆球偏角。

[0009] 5.该演示仪中的摄像头为能充电的微型移动摄像头，自带wifi发射且可以插卡，实验操作者可以实时用手机观测或用电脑回放视频并记录数据；低速电机的供电电压为24V。

[0010] 所有的导线均隐藏在隔板的凹槽中。

[0011] 本发明的有益效果是通过低速电机带动刻度转板和摆球做稳定的匀速圆周运动，摆球运动由原来的手动控制变为电机控制，摆球的运动更接近标准的圆周运动，由刻度转板、摆球和摄像装置组成的“随动”结构实时准确测量摆球偏角，并采用光电门测量圆周运动周期，将实验过程由定性验证提升为定量测量,实验方式稳定性高、可重复性好，实验误差大大减小，更有利于实验探究教学的开展。整个实验的原理和实验过程简单易操作，学生参与性强。附图说明

[0012] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0013] 图1是本发明的实验原理图。

[0014] 图2是本发明的结构示意图。

[0015] 本发明的结构示意图如图2所示，包括（1）开关（2）调速旋钮（3）开关电源（4）低速电机（5）计时器（6）隔板（7）光电门（8）遮光杆（9）刻度转板（10）摆线（11）支架（12）轻质支架（13）滑槽（14）摄像头（15）调节螺母（16）摆球（17）三角撑（18）可调支撑脚（19）中心转轴。

具体实施方式

[0016] 本发明提出了一种向心力光电测量演示仪，能快速准确地测出小球的摆角θ和角速度ω，如图1所示，从而迅速得出实验结果。

[0017] 在该实施例中，首先用刻度尺测量出摆长L(粗略测量只要测出摆线长即可，若是精确测量则要加上摆球的半径)和摆线悬挂点到电动机转轴中心线的距离l，调节底部两个调节螺母，使摆线在静止状态下与刻度转板的零刻度线对齐，以便确定摆线的初始位置。

[0018] 闭合开关，调节好带摄像头的轻质支架位置（此实施例中约15O处），打开摄像头，转动调速旋钮使电机从低档开始缓慢启动，让摆球和整个刻度转板一起沿逆时针方向转动，逐渐加速，至刻度转板转动平稳时，可观察到摆线与初始位置的偏角几乎保持不变，用手机实时观测并记录下此时刻度转板上的偏角示数θ，根据力的合成知识和图1中的实验原理图可得就能快速计算出摆球所受的合力。

[0019] 在刻度转板转动平稳后，同时打开计时器及光电门电路，记录摆球运动稳定时遮光杆通过光电门的次数n和总的遮光时间t。遮光杆每转一周遮光两次，根据计时器记录的遮光次数n和总的遮光时间t,计算出摆球运动的周期T，利用圆周运动公式计算出摆球的角速度ω,
利用三角函数关系式可计算出摆球的圆周运动半径为
把摆球运动半径和角速度ω代入向心力公式
就能快速计算出摆球所受的向心力。

[0020] 因在整个实验过程中摆球的质量保持不变，所以没有必要测出的具体数值来，计算出的合力和向心力都是含有m的表达式。重复几次上述的实验过程，比较每次的合力和向心力的大小，就能顺利得出实验结论。

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