本發(fā)明屬于中學(xué)物理力學(xué)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)涉及一種新型向心力驗(yàn)證裝置。

背景技術(shù)：

高中物理必修2（人民教育出版社，2010年4月第4版）第五章“曲線運(yùn)動(dòng)”第6節(jié)向心力，有一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)“用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式”其原文如下：細(xì)線下面懸掛一個(gè)鋼球，細(xì)線上端固定在鐵架臺(tái)上。將畫(huà)著幾個(gè)同心圓的白紙置于水平桌面上，使鋼球靜止時(shí)正好位于圓心。用手帶動(dòng)鋼球，設(shè)法使它沿紙上的某個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)。具體是將將細(xì)繩連接的小球一端固定在鐵架臺(tái)上，將畫(huà)有同心圓的白紙平鋪在桌面上，調(diào)節(jié)鐵架臺(tái)的支架，使小球豎直懸掛靜止時(shí)剛好位于同心圓的圓心。用手帶動(dòng)小球，讓小球在細(xì)繩的帶動(dòng)下做圓錐擺運(yùn)動(dòng)，即小球在水平面上做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)用秒表測(cè)量小球運(yùn)動(dòng)n圈所用時(shí)間t，利用測(cè)量的時(shí)間和圈數(shù)求出小球做圓周運(yùn)動(dòng)的周期t，從而算出圓錐擺的角速度ω，代入公式計(jì)算向心力的大??；同時(shí)從鐵架臺(tái)的上方豎直向下觀察小球的圓周運(yùn)動(dòng)與哪個(gè)同心圓重合，標(biāo)記下這個(gè)圓，用直尺測(cè)量標(biāo)記圓的半徑r；再測(cè)量小球距離懸掛點(diǎn)的長(zhǎng)度，若是精確測(cè)量還要測(cè)出小球的直徑d，把小球的半徑計(jì)入擺長(zhǎng)。根據(jù)由重力與繩子拉力的合力提供向心力的原理，由受力分析計(jì)算拉力與重力的合力。利用重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，比較合力與向心力的大小，最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)在構(gòu)思、原理、方法和學(xué)生的可參與性方面都很好，但在實(shí)際操作過(guò)程中其演示實(shí)驗(yàn)卻存在以下缺點(diǎn)：1、需要測(cè)量的數(shù)據(jù)多，共有小球的質(zhì)量m，所做圓周運(yùn)動(dòng)半徑r，運(yùn)動(dòng)周期t，圓心到懸點(diǎn)的高度h；2、由于是用手帶動(dòng)小球，很難使小球沿紙上的某個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)，小球在水平面上大多做橢圓運(yùn)動(dòng)，因此小球是否做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，只能進(jìn)行粗略的判斷，其結(jié)果不準(zhǔn)確；3、半徑r和周期t的測(cè)量只能估測(cè)；4、所使用的物理儀器比較多：有天平，刻度尺，秒表；5、所需要計(jì)算的物理量較多，有線速度、夾角的正切、向心力和合力。在實(shí)際演示教學(xué)過(guò)程中，進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)演示時(shí)，如果是完全照搬教材中所述的方法，不做任何改變，則有兩個(gè)地方測(cè)量十分粗略，由于圓心的不確定，從而導(dǎo)致半徑r的測(cè)量不準(zhǔn)確，高度h的測(cè)量也就不準(zhǔn)確。因此不可能在一節(jié)課上只用演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)間完成，即使做完但結(jié)果十分粗略，可能誤差很大。因此教師在教學(xué)過(guò)程中還需要做出較多的解釋，出現(xiàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的可信度不高，達(dá)不到驗(yàn)證效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適合于中學(xué)物理教學(xué)使用的演示教具，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，具體地說(shuō)是一種新型向心力驗(yàn)證裝置。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種新型向心力驗(yàn)證裝置，包括有包括底座和支架，所述支架的下端安裝在底座上，在所述支架的中上部還設(shè)有橫梁，在所述橫梁上設(shè)有通過(guò)懸掛細(xì)線連接有小鋼球，在所述底座上還設(shè)有激光水平儀和水平調(diào)節(jié)臺(tái)，所述激光水平儀位于水平調(diào)節(jié)臺(tái)上，還包括有用于驅(qū)動(dòng)小鋼球運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述向心力驗(yàn)證裝置，其中所述動(dòng)力裝置包括有調(diào)速電機(jī)、調(diào)速控制器和電源開(kāi)關(guān)，所述調(diào)速電機(jī)設(shè)置于橫梁上，所述調(diào)速控制器和電源開(kāi)關(guān)位于底座上，所述調(diào)速電機(jī)的輸出軸垂直向下，所述調(diào)速電機(jī)的輸出軸端部通過(guò)懸掛細(xì)線與小鋼球連接，所述調(diào)速電機(jī)通過(guò)調(diào)速控制器與電源開(kāi)關(guān)電連接，通過(guò)所述調(diào)速電機(jī)控制小鋼球運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述向心力驗(yàn)證裝置，其中在所述水平調(diào)節(jié)臺(tái)中設(shè)有平衡調(diào)節(jié)螺母，通過(guò)所述平衡調(diào)節(jié)螺母用于調(diào)節(jié)所述水平調(diào)節(jié)臺(tái)的高度。

采用本發(fā)明所述的一種新型向心力驗(yàn)證裝置，通過(guò)設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)小鋼球運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置以及激光水平儀，由調(diào)速控制器控制調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，能保證擺球在水平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)接近標(biāo)準(zhǔn)的圓周運(yùn)動(dòng)，采用激光水平儀可以直接判斷小球是否做圓周運(yùn)動(dòng)，其判斷相對(duì)準(zhǔn)確。本發(fā)明所述的向心力驗(yàn)證裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作使用方便，演示形象直觀，學(xué)生參與性強(qiáng)，為中學(xué)物理學(xué)教學(xué)提供了一種新型教具。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中所示：1-底座、2-支架、3-橫梁、4-調(diào)速電機(jī)、5-懸掛細(xì)線、6-小鋼球、7-激光水平儀、8-水平調(diào)節(jié)臺(tái)、9-平衡調(diào)節(jié)螺母、10-調(diào)速控制器、11-電源開(kāi)關(guān)。

具體實(shí)施方式

為了更充分的解釋本發(fā)明的實(shí)施，以下結(jié)合具體實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，而不是限定本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明所述的一種新型向心力驗(yàn)證裝置，包括有包括底座1和支架2，所述支架2的下端安裝在底座1上，在所述支架2的中上部還設(shè)有橫梁3，在所述橫梁3上設(shè)有通過(guò)懸掛細(xì)線5連接有小鋼球6，在所述底座1上還設(shè)有激光水平儀7和水平調(diào)節(jié)臺(tái)8，所述激光水平儀7位于水平調(diào)節(jié)臺(tái)8上，還包括有用于驅(qū)動(dòng)小鋼球6運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述向心力驗(yàn)證裝置，其中所述動(dòng)力裝置包括有調(diào)速電機(jī)4、調(diào)速控制器10和電源開(kāi)關(guān)12，所述調(diào)速電機(jī)4設(shè)置于橫梁3上，所述調(diào)速控制器10和電源開(kāi)關(guān)12位于支架2上，所述調(diào)速電機(jī)4的輸出軸垂直向下，所述調(diào)速電機(jī)4的輸出軸端部通過(guò)懸掛細(xì)線5與小鋼球6連接，所述調(diào)速電機(jī)4通過(guò)調(diào)速控制器10與電源開(kāi)關(guān)12電連接，通過(guò)所述調(diào)速電機(jī)10控制小鋼球6運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述向心力驗(yàn)證裝置，其中在所述水平調(diào)節(jié)臺(tái)8中設(shè)有平衡調(diào)節(jié)螺母9，通過(guò)平衡調(diào)節(jié)螺母9用于調(diào)節(jié)所述水平調(diào)節(jié)臺(tái)8的高度。

采用本發(fā)明所述的向心力驗(yàn)證裝置，通過(guò)對(duì)原教材實(shí)驗(yàn)做如下推理分析，由于該實(shí)驗(yàn)的核心是要用mg·tanθ來(lái)驗(yàn)證m·v²/r，由于周期t是直接測(cè)量，可以用多次測(cè)量取平均值，相對(duì)比較準(zhǔn)確,于是借用周期（t），根據(jù)v=2πr/t，原驗(yàn)證變成驗(yàn)證mg·tanθ=mr·4π²/t²，其中質(zhì)量m由于是同一小球可以省略，又因tanθ＝r/h,于是上式轉(zhuǎn)化為驗(yàn)證g·r/h=r·4π²/t²，因ｒ?yàn)橥话霃剑忠驗(yàn)間近似等于n²，則可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為1/ｎ=4/t²。為了使數(shù)據(jù)分析便于計(jì)算，可進(jìn)一步調(diào)整為驗(yàn)證t²=4h即可，這樣就使實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證大大簡(jiǎn)便，而且可行。通過(guò)上述優(yōu)化，其簡(jiǎn)化的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1、測(cè)量的數(shù)據(jù)大大減少，只需測(cè)量小球做圓周運(yùn)動(dòng)周期(t)，圓心到懸點(diǎn)的高度(h)即可；

2、使用的儀器儀表較少，只需使用刻度尺和秒表即可；

3、測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)比較準(zhǔn)確，其中周期(t)可多次測(cè)量平均值，懸點(diǎn)圓心的高度(h)可借助于激光水平儀測(cè)出；

4、小球是否做圓周運(yùn)動(dòng)可由水平激光儀直接作出判斷，其判斷相對(duì)準(zhǔn)確。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，采用本發(fā)明所述的向心力驗(yàn)證裝置，具體使用方法是，先將將激光水平儀7放置于水平調(diào)節(jié)臺(tái)8上，并通過(guò)平衡調(diào)節(jié)螺母(9)用于調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)臺(tái)8使其呈水平狀態(tài)，保證激光水平儀7的水平泡位于中心即可；然后通過(guò)動(dòng)力裝置帶動(dòng)小鋼球6運(yùn)動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)激光水平儀7，觀察做圓錐擺的小鋼球6無(wú)論前后左右均被激光水平儀7中激光照到，則表示小鋼球6已經(jīng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，然后開(kāi)始記錄周期和高度，最后帶入公式進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)原有演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)后，在課堂操作中均達(dá)到很好的效果，在順利完成課堂教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，高效優(yōu)質(zhì)地驗(yàn)證向心力公式。

采用本發(fā)明所述的一種新型向心力驗(yàn)證裝置，通過(guò)設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)小鋼球運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置以及激光水平儀，由調(diào)速控制器控制調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，能保證擺球在水平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)接近標(biāo)準(zhǔn)的圓周運(yùn)動(dòng)，采用激光水平儀可以直接判斷小球是否做圓周運(yùn)動(dòng)，其判斷相對(duì)準(zhǔn)確。本發(fā)明所述的向心力驗(yàn)證裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作使用方便，演示形象直觀，學(xué)生參與性強(qiáng)，為中學(xué)物理學(xué)教學(xué)提供了一種新型教具。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)內(nèi)容所作的等效替換或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。