反作用力平衡定律實驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種反作用力平衡定律實驗裝置，特別是采用輕質圓形全周量角器的反作用力平衡定律實驗裝置，屬于實驗工具、教具或學習用品。而本實驗裝置由圓形量角器、細線、彈簧秤與支撐環組成，支撐環上有掛孔，量角器有一個中心開孔；細線的一端穿過量角器的中心開孔固定連接在一起，細線的另一端連接彈簧秤的一端，彈簧秤的另一端鉤在支撐環上的掛孔里。實驗裝置可以連接多根細線和彈簧秤，通過調整細線的長短與彈簧秤鉤在支撐環上掛孔的位置改變力的大小與方向。力的大小直接從彈簧秤上讀出、力的方向直接從量角器上讀出。本實驗裝置具有結構簡單、成本低廉、使用方便等特點，在力學實驗、反作用力平衡定律驗證與學習研究中有廣泛的應用價值。
【專利說明】反作用力平衡定律實驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種反作用力平衡定律實驗裝置，特別是采用輕質圓形全周量角器的反作用力平衡定律實驗裝置，屬于實驗工具、教具或學習用品。
【背景技術】
[0002]力是矢量，既有大小又有方向，力的合成或平衡符合數學的矢量和，而矢量和的運算又符合平行四邊形法則或三角形法則。
[0003]物理課程與工程解算中經常會遇到多個力的矢量和或平衡問題以及這些力的反作用力的矢量和或平衡問題，由于多個力的合成不是很直觀、較為抽象，其矢量的關系也較為復雜，因此需要通過實驗來進行演示、驗證作用力平衡原理與反作用力平衡原理。
[0004]通常這類實驗只能做兩個力關系的試驗，而需要進行多個力平衡實驗時通常也只能采用簡易的手工操作，測量困難、精度不準，效果很不理想，影響教學質量與學習效果。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是:
[0006]1、可對多個平衡力同時進行測量的實驗裝置；
[0007]2、實驗裝置可以方便地改變力的大小與方向；
[0008]3、力的大小與方向可以直接在實驗裝置上讀出。
[0009]本發明提供了一種反作用力平衡定律實驗裝置。
[0010]本發明所要解決的技術問題是通過下述技術方案實現的。
[0011]一種反作用力平衡定律實驗裝置，用于作用力平衡實驗與反作用力平衡實驗；反作用力平衡定律實驗裝置主要由圓形量角器、細線、彈簧秤與支撐環組成，支撐環上有分布的掛孔，圓形量角器有一個中心開孔；多根細線的一端穿過圓形量角器的中心開孔固定連接在一起，每根細線的另一端連接彈簧秤的一端，彈簧秤的另一端鉤在支撐環上的掛孔里。
[0012]圓形量角器也可以有多個，全部或部分圓形量角器在中心開孔之間通過細線和彈簧秤相互連接，或者部分圓形量角器全部通過細線和彈簧秤與其它圓形量角器連接。
[0013]支撐環為圓形環、橢圓形環、多邊形環或不規則形狀環；圓形量角器采用360分度或100分度的輕質圓形全周量角器；細線也可以采用輕質細繩或輕質橡皮筋；彈簧秤采用輕質機械彈簧秤或輕質數顯電子秤。
[0014]反作用力平衡定律實驗裝置可有兩種形式:單個圓形量角器的形式與多個圓形量角器的形式。多量角器形式中其多個量角器構成一個力學系統。
[0015]多個圓形量角器構成的力學系統所受的外力由圓形量角器與支撐環之間的彈簧秤顯示，力學系統內部圓形量角器之間的內部相互作用力由圓形量角器之間的彈簧秤顯不O
[0016]反作用力平衡定律實驗裝置通過在支撐環不同位置的掛孔連接多根細線和彈簧秤對多個力進行測量、實驗。反作用力平衡定律實驗裝置可以通過調整細線的長短與彈簧秤鉤在支撐環上掛孔的位置非常方便地改變力的大小與方向。力的大小可以直接從彈簧秤上讀出、力的方向可以直接從圓形全周量角器上讀出。
[0017]由多個圓形量角器構成反作用力平衡定律實驗裝置甚至可以測量顯示力學系統內部的相互作用力，使得看不見的、抽象的力的相互作用以及內部作用力與外部作用力之間的相互關系簡單直觀地展現出來。
[0018]力是矢量，符合矢量運算法則。但多個力一一矢量的運算則比較復雜抽象，反作用力平衡定律實驗裝置是一種可以提供形象觀察、精確測量與平衡定律驗證的工具。
[0019]通過反作用力平衡實驗可以得出結論:一個沒有質量的物體所受力的反作用力恒平衡，即:零質量物體所受力的反作用力矢量和恒為零。這個結論稱為反作用受力平衡定律。
[0020]由此還可以得出一個推論:一個沒有慣量的物體所受力偶矩的反作用力偶矩恒平衡，即:零慣量物體所受力偶矩的反作用力偶矩矢量和恒為零。這個結論稱為反作用力偶矩平衡定律。
[0021]由于零質量物體的慣量自然為零，因此零質量物體既滿足反作用受力平衡定律、又滿足反作用力偶矩平衡定律，則兩個定律統一表述為:一個沒有質量的物體所受力的反作用力恒平衡、所受力偶矩的反作用力偶矩恒平衡，即:零質量物體所受力的反作用力矢量和恒為零、所受力偶矩的反作用力偶矩矢量和恒為零。這個結論稱為:反作用力平衡定律。
[0022]反作用力平衡定律也可以表述為:通過零質量物體間接相互作用的多個物體，各物體受到的零質量物體的反作用力恒平衡、各物體受到的零質量物體的反作用力偶矩恒平衡，即:各物體受到的零質量物體反作用力的矢量和恒為零、各物體受到的零質量物體反作用力偶矩的矢量和恒為零。
[0023]選取任意一點為轉心或任意定軸，還可以得到另外一個推論:一個沒有慣量的物體所受力矩的反作用力矩恒平衡，即:零慣量物體所受力矩的反作用力矩矢量和恒為零。這個結論稱為反作用力矩平衡定律。由于力矩的測量比力偶矩的測量更為容易，因此反作用力矩平衡定律更為常用。
[0024]由此反作用力平衡定律還可以表述為:一個沒有質量的物體所受力的反作用力恒平衡、所受力矩的反作用力矩恒平衡，即:零質量物體所受力的反作用力矢量和恒為零、所受力矩的反作用力矩矢量和恒為零。
[0025]反作用力平衡定律同樣還可表述為:通過零質量物體間接相互作用的多個物體，各物體受到的零質量物體的反作用力恒平衡、各物體受到的零質量物體的反作用力矩恒平衡，即:各物體受到的零質量物體反作用力的矢量和恒為零、各物體受到的零質量物體反作用力矩的矢量和恒為零。
[0026]反作用力平衡定律實驗裝置的圓形量角器、細線和彈簧秤均為輕質物體，質量很小可近似為零，由此構成力學系統的受力關系符合反作用力平衡定律。由于力矩為受力與對應力臂長度的乘積，因此通過對反作用力平衡實驗數據的分析與計算，反作用力平衡定律可以得到驗證。
[0027]反作用力平衡定律實驗裝置是帶有力大小與方向的測量裝置，具有結構簡單、成本低廉、使用方便等特點，在力學實驗、反作用力平衡定律驗證、學習研宄與教學實踐活動中有廣泛的應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1由圓形支撐環與單個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置。
[0029]圖2由正方形支撐環與單個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置。
[0030]圖3由橢圓形支撐環與兩個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置。
[0031]圖4由長方形支撐環與兩個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置。
[0032]圖5由圓形支撐環與三個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置。
[0033]圖6由不規則形狀支撐環與四個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置。
[0034]圖7由不規則形狀支撐環與四個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置。
[0035]圖中各數字代號標記表示的對象如下:
[0036]1、圓形量角器2、細線3、彈簧秤4、中心開孔5、支撐環6、掛孔
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖對本發明進行詳細描述。
[0038]實施例
[0039]一種反作用力平衡定律實驗裝置，用于作用力平衡實驗與反作用力平衡實驗，同時也可以用于力學實驗、反作用力平衡定律驗證與學習研宄。
[0040]由圓形支撐環與單個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置的結構如圖1所示。由正方形支撐環與單個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置的結構如圖2所示。
[0041]由橢圓形支撐環與兩個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置的結構如圖3所示。由長方形支撐環與兩個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置的結構如圖4所示。
[0042]由圓形支撐環與三個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置的結構如圖5所示。
[0043]由不規則形狀支撐環與四個圓形量角器構成的反作用力平衡定律實驗裝置的結構如圖6與圖7所示。
[0044]反作用力平衡定律實驗裝置主要由圓形量角器1、細線2、彈簧秤3、支撐環5組成。支撐環5采用金屬環或塑料環，支撐環5上有分布的單排或多排掛孔6。圓形量角器I有一個較小的中心開孔4，中心開孔4又稱集線孔，多根細線2的一端穿過圓形量角器I的中心開孔4并通過打結、粘連或捆扎一個小物件等形式固定連接在一起，每根細線2的另一端通過打結等方式各連接到對應彈簧秤3的一端，彈簧秤3的另一端鉤在支撐環5上的掛孔6里。
[0045]圓形量角器I可以有多個，有些實驗裝置的全部圓形量角器I之間通過細線2和彈簧秤3相互連接，有些實驗裝置的部分圓形量角器I之間通過細線2和彈簧秤3相互連接，有些實驗裝置有部分圓形量角器I全部通過細線2和彈簧秤3與其它圓形量角器I連接。
[0046]支撐環5采用圓形環、橢圓形環、多邊形環或不規則形狀環。
[0047]細線2采用輕質細繩或輕質橡皮筋，用富有彈性的橡皮筋更便于調整拉力的大小。
[0048]圓形量角器I采用360分度或100分度的圓形全周量角器，100分度相對更為直觀。
[0049]圓形量角器I采用輕質圓形量角器，可以減少由于量角器I的自重對測量結果的影響。
[0050]彈簧秤3采用輕質機械彈簧秤或輕質數顯電子秤，可以減少由于彈簧秤3的自重對測量結果的影響。
[0051]由于機械彈簧秤與橡皮筋都富有彈性，機械彈簧秤與橡皮筋受力時都會產生拉伸形變，機械彈簧秤與輕質細繩配合、數顯電子秤與橡皮筋配合、特別是機械彈簧秤與橡皮筋配合，使用時拉力大小的調整非常容易、方便。
[0052]反作用力平衡定律實驗裝置通過多根細線2與多個彈簧秤3對多個拉力同時進行測量實驗，并且還可以通過改變細線2的長短調整拉力的大小。
[0053]支撐環5為圓形環、橢圓形環或多邊形環，也可以是不規則形狀環，支撐環5上分布的掛孔6便于彈簧秤3通過使掛鉤固定在支撐環5上的不同位置，調整細線2的受力方向。
[0054]反作用力平衡定律實驗裝置由于彈簧秤3所鉤掛孔6的位置不同時其掛孔6至圓形量角器I中心開孔4的距離也不同，因而彈簧秤3在調整掛孔6位置的同時也自然調整了細線2的拉力大小，有助于產生豐富多樣的受力數據。
[0055]單個圓形量角器的反作用力平衡定律實驗裝置其細線2受力的大小可以直接從與之相連的彈簧秤3上讀出、受力的方向可以直接從與之相連的圓形量角器I上讀出。
[0056]多個圓形量角器的反作用力平衡定律實驗裝置其細線2受力的大小也可以直接從與之相連的彈簧秤3上讀出。兩個由細線2與彈簧秤3直接連接的相鄰圓形量角器I之間基準方向的角度差為細線2在兩個相鄰圓形量角器I上的角度讀數之和與半周角度之差。所有圓形量角器I可以據此將基準角度統一校正為同一個方向，細線2受力的方向可以直接從與之相連的圓形量角器I上讀出；或圓形量角器I測得的方向與該圓形量角器基準方向相對于某個參考圓形量角器基準方向的角度差進行疊加即為所測力的方向。
[0057]反作用力平衡定律實驗裝置的圓形量角器、細線與彈簧秤都為輕質物體，因此對細線上的受力影響較小，特別當細線上的拉力較大時，圓形量角器、細線與彈簧秤的自重對受力測量的影響可以忽略。
[0058]反作用受力平衡定律與反作用力矩平衡定律以及反作用力平衡定律可以通過反作用力平衡定律實驗裝置的實驗與計算進行較為精確的驗證。
[0059]零質量物體的慣量為零，而輕質物體可視為質量為零，因此輕質物體的受力分析、力偶矩分析或力矩分析符合反作用力平衡定律原理。
[0060]由于在力學分析與研宄中輕質物體的使用非常普遍，因此，反作用力平衡定律的應用非常廣泛，用于反作用力平衡實驗、反作用力平衡定律驗證與研宄的反作用力平衡定律實驗裝置因而也具有很大的應用價值。
【權利要求】
1.一種反作用力平衡定律實驗裝置，用于作用力平衡實驗與反作用力平衡實驗；其特征在于: 反作用力平衡定律實驗裝置主要由圓形量角器、細線、彈簧秤與支撐環組成，支撐環上有分布的掛孔，圓形量角器有一個中心開孔；多根細線的一端穿過圓形量角器的中心開孔固定連接在一起，每根細線的另一端連接彈簧秤的一端，彈簧秤的另一端鉤在支撐環上的掛孔里。
2.按權利要求1所述的反作用力平衡定律實驗裝置，其特征在于: 所述的圓形量角器也可以有多個，全部或部分圓形量角器在中心開孔之間通過細線和彈簧秤相互連接，或者部分圓形量角器全部通過細線和彈簧秤與其它圓形量角器連接。
3.按權利要求1或權利要求2所述的反作用力平衡定律實驗裝置，其特征在于: 所述的支撐環為圓形環、橢圓形環、多邊形環或不規則形狀環； 所述的圓形量角器采用360分度或100分度的輕質圓形全周量角器； 所述的細線也可以采用輕質細繩或輕質橡皮筋； 所述的彈簧秤采用輕質機械彈簧秤或輕質數顯電子秤。
【文檔編號】G09B23/08GK104517507SQ201410848721
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月31日 優先權日:2014年12月31日
【發明者】朱嘉慧, 朱明
申請人:朱嘉慧