一種向心力實驗測量裝置
2023-10-16 21:58:46
1.本發明涉及實驗裝置技術領域，具體涉及一種向心力實驗測量裝置。
背景技術：
2.實驗在物理教學過程中具有舉足輕重的位置，實驗可以更好地幫助學生理解物理現象、發現物理規律、激發學生對物理學的興趣，增加實驗演示儀器的精確程度，幫助學生更好的理解所學的物理規律，同時也可以培養學生們嚴謹的科學態度；
3.現在的中學物理教學過程中大多只傳授學生向心力的原理，以及與向心力有關的各個物理量之間的關係，學生對於向心力的理解也只停留在概念的基礎之上，課本上的知識也往往設定在一個理想的環境下，進而使得學生缺少動手探索各個物理量之間關係的動機，不利於學生真正掌握在現實中各個物理量的得出以及誤差關係，學生們不能夠做到真正意義上的理解。
技術實現要素：
4.本發明的目的是為了克服現有技術中的問題，提供一種向心力實驗測量裝置。
5.本發明提供了一種向心力實驗測量裝置，包括：轉動結構其上的輸出軸固定連接刻度尺的中部，帶動刻度尺勻速轉動，刻度尺的一端下表面設置有擋光杆，擋光杆能夠經過光電門的中部，光電門通過支架設置在轉動結構的殼體上，光電門將測得的信號傳輸給處理器用於記錄保存，處理器將處理的信號通過計算機顯示出來；刻度尺上端固定設置有壓力傳感器，壓力傳感器的受力端固定球體，壓力傳感器將信號傳輸給處理器。
6.較佳地，所述刻度尺上設有沿其長度方向t形滑槽，t形滑槽內滑動設有螺栓的螺栓頭，螺栓的螺栓杆穿過滑塊並且螺紋連接螺母，滑塊固定連接壓力傳感器。
7.較佳地，所述壓力傳感器的受力端固定連接有磁吸式載物臺，磁吸式載物臺能夠吸附不同質量的球體。
8.較佳地，所述光電門連接第一信號發射器，處理器上設置有無線信號接收單元；所述壓力傳感器電性連接第二信號發射器，第二信號發射器位於刻度尺的中部下方，連接第一信號發射器和第二信號發射器均能夠發送信號給無線信號接收單元，無線信號接收單元接收到的信號通過處理器處理。
9.較佳地，所述轉動結構包括電機、第一皮帶輪、皮帶、第二皮帶輪、輸出軸和兩個軸承，所述輸出軸通過兩個軸承豎向設置在殼體上，輸出軸中部固定連接第一皮帶輪，第一皮帶輪和第二皮帶輪通過皮帶連接，第二皮帶輪固定在電機的轉動軸上，電機位於殼體內，並且電機通過控制按鈕調節轉速。
10.較佳地，所述第二信號發射器為圓筒狀，套設在輸出軸上，並跟隨刻度尺共同轉動。
11.與現有技術相比，本發明的有益效果是：
12.本發明的向心力實驗測量裝置經過實驗並對結果進行分析，得出的關係完全符合
理論上的關係且誤差較小，還能夠驗證向心力的表達式，有效避免了普通測量儀器中球體的摩擦力對驗證過程的影響；更好地幫助學生了解和掌握向心力與物體質量、旋轉半徑、角速度之間的關係；培養了學生的動手能力和學生的探索精神，使得學生能夠通過避開課本上的理想環境，更加真實地接觸到物理量的探究過程，有利於學生真正掌握在現實中各個物理量的得出以及誤差關係，加深學生們的理解深度。
13.本向心力實驗測量裝置用磁吸式載物臺將球體吸在壓力傳感器上，球體不與刻度尺接觸，不會與刻度尺產生摩擦力，也沒有中間過渡環節，減小測量誤差。球體直接吸附在載物臺上，取放容易，滑塊上通過鬆緊螺母，實現滑塊在刻度尺上的移動和固定，以改變半徑，操作便捷、快速，有效提高了實驗效率和實驗精度。
附圖說明
14.圖1為本發明的結構示意圖；
15.圖2為向心力f與質量m的關係圖；
16.圖3為向心力f與轉動半徑r的關係圖；
17.圖4為向心力f與角速度ω2的關係圖。
18.附圖標記說明：
19.1.滑塊，2.壓力傳感器，3.磁吸式載物臺，4.球體，5.刻度尺，6.計算機，7.處理器，8.電機，9.皮帶，10.第二信號發射器，11.軸承，12.第一信號發射器，13.光電門，14.擋光杆。
具體實施方式
20.下面如圖1，對本發明的具體實施方式進行詳細描述，但應當理解本發明的保護範圍並不受具體實施方式的限制。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
21.第一實施例
22.本發明提供的一種向心力實驗測量裝置，包括：轉動結構其上的輸出軸固定連接刻度尺5的中部，帶動刻度尺5勻速轉動，刻度尺5的一端下表面設置有擋光杆14，擋光杆14能夠經過光電門13的中部，光電門13通過支架設置在轉動結構的殼體上，光電門13將測得的信號傳輸給處理器7用於記錄保存，處理器7將處理的信號通過計算機6顯示出來；刻度尺5上端固定設置有壓力傳感器2，壓力傳感器2的受力端固定球體4，壓力傳感器2將信號傳輸給處理器7；所述壓力傳感器2的受力端固定連接有磁吸式載物臺3，磁吸式載物臺3能夠吸附不同質量的球體4；
23.光電門13測得擋光杆14經過光電門13的時間δt，擋光杆14的直徑d可通過測量得出，擋光杆14距離輸出軸的距離能夠通過刻度尺5讀出(半徑r)，因此通過公式可得出擋光杆14的角速度ω＝d/(δt*r)；因此角速度ω為一個確定值；球體的旋轉半徑r通過刻度尺5讀出；
24.轉動半徑r一定，角速度ω一定，探究向心力f與小球質量m的關係
25.準備5個質量不同的球體4，用天平測量各球體4的質量，壓力傳感器2的位置固定，因此球體4的轉動半徑r能夠通過刻度尺5讀出，由於轉動結構上的輸出軸勻速轉動，因此角
速度ω能夠確定，分別依次將5個球體4放置在磁吸式載物臺3上，測量不同球體4做圓周運動的向心力，做出表1；
26.表1探究向心力f與質量m的實驗數據表r＝0.157m，ω＝13.274rad/s
[0027][0028]
其中：相對誤差＝|f
測量-f
理論
|/f
測量
×
100％
[0029]
對表1的f測量值與小球質量m進行線性擬合，得出如圖2所示的f-m關係圖；
[0030]
由圖2可知，在小球做圓周運動的半徑和角速度保持不變時，小球的向心力f與小球的質量m成正比。而且利用f
理論
＝mrω2計算的向心力的理論值與f測量值的相對誤差《5％，測量精度較高，說明本設備除了可以讓學生探究向心力f與小球質量m，轉動半徑r，角速度ω之間的關係外，還可以直接驗證向心力的公式，提高了實驗數據測量的精度。
[0031]
第二實施例
[0032]
轉動結構其上的輸出軸固定連接刻度尺5的中部，帶動刻度尺5勻速轉動，刻度尺5的一端下表面設置有擋光杆14，擋光杆14能夠經過光電門13的中部，光電門13通過支架設置在轉動結構的殼體上，光電門13將測得的信號傳輸給處理器7用於記錄保存，處理器7將處理的信號通過計算機6顯示出來；刻度尺5上端固定設置有壓力傳感器2，壓力傳感器2的受力端固定球體4，壓力傳感器2將信號傳輸給處理器7；所述刻度尺5上設有沿其長度方向t形滑槽，t形滑槽內滑動設有螺栓的螺栓頭，螺栓的螺栓杆穿過滑塊1並且螺紋連接螺母，滑塊1固定連接壓力傳感器2。
[0033]
保持小球質量m，角速度ω不變，探究向心力f與轉動半徑r的關係；
[0034]
由第一實施例確定出角速度ω；
[0035]
在磁吸式載物臺上放置質量為23.5克的球體4，保持角速度ω不變，鬆緊螺母，改變球體4的轉動半徑，測量7組不同半徑所對應的向心力，做出表2。
[0036]
表2探究向心力f與質量r的實驗數據表
[0037]
m＝2.35
×
10-2
kg，ω＝13.364rad/s
[0038][0039]
對表2的f測量值與小球的轉動半徑r進行線性擬合，得出如圖3所示的f-r關係圖。
[0040]
由圖3可知，在小球做圓周運動時，在半徑和角速度保持不變的情況下，小球的向心力f與小球的質量r成正比，與理論結果完全相符。
[0041]
第三實施例
[0042]
轉動結構其上的輸出軸固定連接刻度尺5的中部，帶動刻度尺5勻速轉動，刻度尺5
的一端下表面設置有擋光杆14，擋光杆14能夠經過光電門13的中部，光電門13通過支架設置在轉動結構的殼體上，光電門13將測得的信號傳輸給處理器7用於記錄保存，處理器7將處理的信號通過計算機6顯示出來；刻度尺5上端固定設置有壓力傳感器2，壓力傳感器2的受力端固定球體4，壓力傳感器2將信號傳輸給處理器7；所述轉動結構包括電機8、第一皮帶輪、皮帶9、第二皮帶輪、輸出軸和兩個軸承11，所述輸出軸通過兩個軸承11豎向設置在殼體上，輸出軸中部固定連接第一皮帶輪，第一皮帶輪和第二皮帶輪通過皮帶9連接，第二皮帶輪固定在電機8的轉動軸上，電機8位於殼體內，並且電機8通過控制按鈕調節轉速；
[0043]
保持小球質量m和轉動半徑r不變，探究向心力f與角速度ω2的關係
[0044]
在磁吸式載物臺上放置質量為23.5克的球體4，鬆緊螺母，設置一定的小球轉動半徑r，通過控制按鈕改變球體的轉動速度，使得球體多次勻速轉動，通過第一實施例中角速度ω的計算方式，得到6組不同勻速狀態下的角速度ω的值，進而可得到ω2的值，測量6組不同角速度所對應的向心力，做出表3；表3探究向心力f與角速度ω的實驗數據表
[0045]
m＝2.35
×
10-2
kg，r＝0.158m
[0046][0047]
對表3的f測量值與小球的角速度的平方ω2進行曲線擬合，得出如圖4所示的f-ω2關係圖。
[0048]
由圖4可知，在小球做圓周運動的半徑和質量保持不變時，小球的向心力f與小球的角速度的平方ω2成正比，與理論結果完全相符。
[0049]
由於壓力傳感器2和磁吸式載物臺3的質量對測量過程有影響，每次測量前，需空載讓球體4轉動起來，對壓力傳感器2進行調零，或不調零記錄對應壓力傳感器2得到的數據，放上球體4後測量的數據把空載的數據減掉給予修正；
[0050]
綜合以上，可得小球作圓周運動所受向心力與其質量、轉動半徑、角速度的平方乘積成正比，並驗證其定量關係為：f
向心力
＝mrω2。
[0051]
優選地，所述光電門13連接第一信號發射器12，處理器7上設置有無線信號接收單元；所述壓力傳感器2電性連接第二信號發射器10，第二信號發射器10位於刻度尺5的中部下方，連接第一信號發射器12和第二信號發射器10均能夠發送信號給無線信號接收單元，無線信號接收單元接收到的信號通過處理器7處理。
[0052]
優選地，所述第二信號發射器10為圓筒狀，套設在輸出軸上，並跟隨刻度尺5共同轉動。
[0053]
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等同物限定。