本實(shí)用新型專利涉及實(shí)驗(yàn)儀,尤其涉及一種新型向心力定量比較與演示實(shí)驗(yàn)儀。
背景技術(shù):
向心力是高中物理和大學(xué)物理學(xué)力學(xué)部分的一個(gè)重要概念,向心力的大小與物體的質(zhì)量、物體到轉(zhuǎn)軸的距離以及轉(zhuǎn)動周期(或角速度)都有關(guān)系,為了驗(yàn)證向心力與這些量大小之關(guān)系,目前市場上與大、中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室演示向心力大小與質(zhì)量、半徑及周期(角速度)之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)儀,幾乎均為手搖式雙轉(zhuǎn)軸方式進(jìn)行演示的實(shí)驗(yàn)儀器。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供一種結(jié)構(gòu)合理,實(shí)驗(yàn)效果好的新型向心力定量比較與演示實(shí)驗(yàn)儀。
為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的,本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案:
新型向心力定量比較與演示實(shí)驗(yàn)儀,包括箱體和轉(zhuǎn)動部分;
箱體包括電機(jī)固定箱和電機(jī);轉(zhuǎn)動部分包括標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿、大半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿、大半徑轉(zhuǎn)動連桿、大半徑轉(zhuǎn)動連桿承載球座、大小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連接桿、小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿、小半徑轉(zhuǎn)動連桿、小半徑轉(zhuǎn)動連桿承載球座、拉力桿、豎直空心標(biāo)尺立柱、滑動套管、拉力桿移動橫向轉(zhuǎn)動軸滑槽、彈簧、標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿鎖緊螺圈、標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿底墊固定圈和拉力桿移動滑槽;
電機(jī)固定在電機(jī)固定箱內(nèi),標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿底墊固定圈固定在電機(jī)轉(zhuǎn)動軸下部;標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿套在電機(jī)轉(zhuǎn)動軸上,位于標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿底墊固定圈上部;豎直空心標(biāo)尺立柱套在電機(jī)轉(zhuǎn)動軸上,位于標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動上部;豎直空心標(biāo)尺立柱固定端與標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿接觸處吻合,采用標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿鎖緊螺圈使標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿與豎直空心標(biāo)尺立柱一同鎖緊成為一體;大半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿和小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿依次設(shè)于標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿上;
大半徑轉(zhuǎn)動連桿的轉(zhuǎn)動軸移動滑槽安裝在大半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿的大半徑轉(zhuǎn)動連桿轉(zhuǎn)動軸上;小半徑轉(zhuǎn)動連桿與拉力桿的小半徑轉(zhuǎn)動連桿轉(zhuǎn)動移動滑槽安裝在小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿的小半徑轉(zhuǎn)動連桿與拉力桿間移動轉(zhuǎn)動軸上;
大小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連接桿兩端分別連接在大半徑轉(zhuǎn)動連桿的大半徑轉(zhuǎn)動連桿與大小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連桿連接轉(zhuǎn)動軸上,及小半徑轉(zhuǎn)動連桿的小半徑轉(zhuǎn)動連桿與大小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連桿連接轉(zhuǎn)動軸上;
滑動套管與彈簧連接體從彈簧下端套至豎直空心標(biāo)尺立柱上,并與標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿采用標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿鎖緊螺圈鎖緊,滑動套管下端設(shè)有拉力桿端伸進(jìn)口,拉力桿端伸進(jìn)口與豎直空心標(biāo)尺立柱的拉力桿移動滑槽對應(yīng);拉力桿一端的拉力桿端點(diǎn)設(shè)于滑動套管口內(nèi)豎直空心標(biāo)尺立柱的拉力桿移動滑槽內(nèi)。
作為優(yōu)選:所述箱體上端面設(shè)有水平泡,箱體側(cè)面設(shè)有抽屜,箱體底部設(shè)有可調(diào)節(jié)支撐腿。
作為優(yōu)選:所述箱體內(nèi)還設(shè)有電控箱,電控箱與電機(jī)連接。
本實(shí)用新型的有益效果是:采用電機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸,采用電控箱控制轉(zhuǎn)速(角速度),轉(zhuǎn)動物體質(zhì)量可以采用不同質(zhì)量的大小球,球體轉(zhuǎn)動半徑可以通過放球位置到轉(zhuǎn)軸的距離(轉(zhuǎn)動半徑)不同來控制,不同情況下演示向心力大小可以通過豎直方向套筒下移距離(不同顏色環(huán)或刻度)顯示出來。有利于彌補(bǔ)大、中學(xué)目前物理實(shí)驗(yàn)室仍然缺乏這樣一種定量比較與演示向心力大小與相關(guān)量之關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置。
附圖說明
圖1是本實(shí)用新型正視圖;
圖2是本實(shí)用新型勻速圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)動系統(tǒng)末狀態(tài)1圖;
圖3是本實(shí)用新型勻速圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)動系統(tǒng)末狀態(tài)2圖;
圖4是本實(shí)用新型大半徑轉(zhuǎn)動連桿結(jié)構(gòu)正視圖;
圖5是本實(shí)用新型小半徑轉(zhuǎn)動連桿與拉力連桿結(jié)構(gòu)正視圖;
圖6是本實(shí)用新型豎直空心滑動標(biāo)尺立柱正視圖;
圖7是本實(shí)用新型滑動套筒與彈簧整體正視圖;
圖8是本實(shí)用新型滑動套筒與彈簧整體側(cè)視圖;
圖9是本實(shí)用新型大小半徑轉(zhuǎn)動連桿、連桿轉(zhuǎn)動軸、拉力桿、豎直標(biāo)尺立柱、滑動套管、彈簧、承載小球座以及大小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿底座與底座固定螺絲等側(cè)視圖;
圖10是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)用大小兩種球體正視圖;
圖11是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)儀箱體、標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿、大小半徑轉(zhuǎn)動桿支撐架、大小半徑轉(zhuǎn)動連桿與拉力桿、大小半徑轉(zhuǎn)動連桿承載球座、豎直空心標(biāo)尺立柱、滑動套管與彈簧等俯視圖;
圖12是本實(shí)用新型電機(jī)控制箱立體圖;
圖13是本實(shí)用新型儀器底座調(diào)平支撐腿正視圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述。下述實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本實(shí)用新型。應(yīng)當(dāng)指出,對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下,還可以對本實(shí)用新型進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾,這些改進(jìn)和修飾也落入本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
如圖1所示,為向心力定量比較與演示實(shí)驗(yàn)儀正視圖。1、電機(jī)固定箱,1-0、電機(jī)固定箱調(diào)平支撐腿,1-1、箱體表面,1-2、水平泡,(如圖11所示),2、電控箱,3、電機(jī),3-1、電機(jī)供電傳輸線,4、實(shí)驗(yàn)儀修配件存放抽屜,5、標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿,6、大半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿,6-0、大半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿固定座,7、大半徑轉(zhuǎn)動連桿,7-0、大半徑轉(zhuǎn)動連桿轉(zhuǎn)動軸,7-1、大半徑轉(zhuǎn)動連桿與大小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連桿連接轉(zhuǎn)動軸,7-2、大半徑轉(zhuǎn)動連桿轉(zhuǎn)動軸移動滑槽,7-3、大半徑轉(zhuǎn)動連桿承載球座,8、大小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連桿,9、小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿,9-0、小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿固定座,10、小半徑轉(zhuǎn)動連桿,10-0、小半徑轉(zhuǎn)動連桿與拉力桿共同移動轉(zhuǎn)動軸,10-1、小半徑轉(zhuǎn)動連桿與大小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連桿連接轉(zhuǎn)動軸,10-2小半徑轉(zhuǎn)動連桿與拉力桿共同轉(zhuǎn)動軸移動滑槽,11、小半徑轉(zhuǎn)動連桿承載球座,12、拉力桿,12-1、拉力桿端點(diǎn),12-2、拉力桿端點(diǎn)豎直移動轉(zhuǎn)動軸(如圖9所示),13、豎直空心標(biāo)尺立柱,13-1、毫米刻度尺(如圖6所示),13-2、豎直空心標(biāo)尺立柱固定端(如圖6所示),14、滑動套管,14-0、滑動套管固定拉力桿豎直移動橫向轉(zhuǎn)動軸孔,14-1、拉力桿端伸進(jìn)口(如圖8所示),15、拉力桿移動橫向轉(zhuǎn)動軸滑槽,16、彈簧,17、標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿、豎直空心標(biāo)尺立柱與彈簧鎖緊螺圈,18、標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿底墊固定圈;
如圖(9)所示,為大小半徑轉(zhuǎn)動連桿、連桿轉(zhuǎn)動軸、拉力桿、豎直標(biāo)尺立柱、滑動套管、彈簧、承載小球座以及大小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿底座與底座固定螺絲等側(cè)視圖。5、標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿,5-1、標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿截面圖,6-0、大半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿固定座,7、大半徑轉(zhuǎn)動連桿,7-0、大半徑轉(zhuǎn)動連桿轉(zhuǎn)動軸,7-1、大半徑轉(zhuǎn)動連桿與大小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連桿連接轉(zhuǎn)動軸,8、大小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連接桿,9-0、小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿底座,9-0、大小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿底座固定螺絲,10、小半徑轉(zhuǎn)動連桿,10-0、小半徑轉(zhuǎn)動連桿與拉力桿間移動轉(zhuǎn)動軸,10-1、小半徑轉(zhuǎn)動連桿與大小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連桿連接轉(zhuǎn)動軸,12、拉力桿,12-1、拉力桿端點(diǎn),12-2、拉力桿端點(diǎn)豎直移動橫向轉(zhuǎn)動軸,13、豎直標(biāo)尺立柱,14、滑動套管,16、彈簧,17、標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿鎖緊螺圈,19、拉力桿末端移動滑槽。
如圖(12)所示,為電機(jī)控制箱立體圖。2-1、開關(guān),2-2、指示燈,2-3、設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動周數(shù)旋鈕,2-4、開始與結(jié)束按鈕,2-5、顯示電機(jī)轉(zhuǎn)動周數(shù)顯示屏,2-6、顯示周數(shù)總時(shí)間,2-7、電機(jī)加速與減速旋鈕;
本實(shí)施例的新型向心力定量比較與演示實(shí)驗(yàn)儀分為實(shí)驗(yàn)儀控制箱2、箱體(固定電機(jī)3的鐵箱子)與轉(zhuǎn)動部分(電機(jī)轉(zhuǎn)軸以上部分),箱體由電機(jī)固定箱1、電機(jī)3與抽屜4組成,電機(jī)固定箱1用來固定電機(jī)3,實(shí)驗(yàn)儀控制箱2安裝在箱體(固定電機(jī)3的箱子內(nèi))中,標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿底墊固定圈18固定在電機(jī)3轉(zhuǎn)動軸下部,標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿5套在電機(jī)3轉(zhuǎn)動軸上,位于標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿底墊固定圈18上部,豎直空心標(biāo)尺立柱13套在電機(jī)3轉(zhuǎn)動軸上,位于標(biāo)尺轉(zhuǎn)動桿5上部,使豎直空心標(biāo)尺立柱固定端13-2與標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿5接觸處吻合,采用標(biāo)尺橫向轉(zhuǎn)動桿鎖緊螺圈17將標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿5與豎直空心標(biāo)尺立柱13一同鎖緊成為一體;將大半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿6、小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿9依次安裝在標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿5相應(yīng)位置,大半徑轉(zhuǎn)動連桿7的轉(zhuǎn)動軸移動滑槽7-2安裝在大半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿6的轉(zhuǎn)動軸7-0上,小半徑轉(zhuǎn)動連桿10與拉力桿12的小半徑轉(zhuǎn)動連桿轉(zhuǎn)動移動滑槽10-2安裝在小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿9的轉(zhuǎn)動軸10-0上,將大、小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連接桿8兩端分別連接在大半徑轉(zhuǎn)動連桿7的大半徑轉(zhuǎn)動連桿與大小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連桿連接轉(zhuǎn)動軸7-1上,及小半徑轉(zhuǎn)動連桿10的小半徑轉(zhuǎn)動連桿與大小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連桿連接轉(zhuǎn)動軸10-1上;同時(shí),將滑動套管14與彈簧16連接體從彈簧16下端17處套至豎直空心標(biāo)尺立柱13上,并轉(zhuǎn)動滑動套管14與彈簧16整體,使之轉(zhuǎn)動滑動套管14的滑動套管固定豎直移動轉(zhuǎn)動軸孔14-0與豎直空心標(biāo)尺立柱13的拉力桿移動橫向轉(zhuǎn)動軸滑槽15,以及轉(zhuǎn)動滑動套管14的拉力桿端伸進(jìn)口14-1與豎直空心標(biāo)尺立柱13的拉力桿末端移動滑槽19對應(yīng);將拉力桿12一端的拉力桿端點(diǎn)12-1伸進(jìn)滑動套管口14內(nèi)、豎直空心標(biāo)尺立柱13的拉力桿移動滑槽19內(nèi),再將拉力桿端點(diǎn)豎直移動轉(zhuǎn)動軸12-2依次穿過滑動套管14側(cè)孔14-0、豎直空心標(biāo)尺立柱13的滑槽15、拉力桿12一端的拉力桿端點(diǎn)12-1孔至豎直空心標(biāo)尺立柱13另一邊滑槽15、滑動套管14另端孔14-0,并在滑動套管14兩端孔14-0外的拉力桿端點(diǎn)豎直移動轉(zhuǎn)動軸12-2上用螺絲擰緊。安裝過程中需要不斷微調(diào)大半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿6與小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿9之間及小半徑轉(zhuǎn)動連桿支撐桿到電機(jī)4轉(zhuǎn)軸的間距。
實(shí)驗(yàn)操作步驟與原理
(一)、實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)步驟
(1)調(diào)節(jié)底座水平。調(diào)節(jié)三個(gè)可調(diào)節(jié)支撐腿1-0,使之,箱體1-1表面處于水平泡1-2圓圈中間;
(2)接通控制箱2與圓形電機(jī)3間的控制線,并接通電源;其中控制箱為常規(guī)的控制箱,其內(nèi)部電路及結(jié)構(gòu)屬于現(xiàn)有技術(shù),因此不做具體說明。
(3)檢查“新型向心力定量比較與演示實(shí)驗(yàn)儀”之間連接,保證各個(gè)轉(zhuǎn)動軸間轉(zhuǎn)動靈活,沒有任何問題;
(4)準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)所用大球2m、小球m,作為實(shí)驗(yàn)備用。
(二)實(shí)驗(yàn)原理、步驟與操作原理
1、實(shí)驗(yàn)原理
設(shè)做圓周運(yùn)動物體的質(zhì)量為m,物體的轉(zhuǎn)動半徑(即物體到轉(zhuǎn)軸的距離)為r,作勻速圓周運(yùn)動角速度為ω(周期T),則
f=mω2r=m(4π2)/T2r ……(1)
從公式(1)可以看出,物體作勻速圓周運(yùn)動的向心力,與物體質(zhì)量m成正比,與圓周運(yùn)動的角速度ω平方成正比,即與勻速圓周運(yùn)動的周期平方T2成反比,與物體作勻速圓周運(yùn)動的半徑r成正比。下面我們就通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該公式(1)的正確性。
2、步驟與操作原理
實(shí)驗(yàn)一:半徑r、角速度ω相同,不同質(zhì)量mi物體向心力大小比較
1、設(shè)小球質(zhì)量為m,大球質(zhì)量為2m;把小球m、大球2m分別放在小半徑承載球座11上做實(shí)驗(yàn);
2、按下控制箱2開關(guān)2-1按鈕,指示燈2-2亮,轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)動周數(shù)旋鈕2-3設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動周數(shù)為50圈,按動計(jì)時(shí)開始與結(jié)束按鈕2-4,電機(jī)3轉(zhuǎn)軸帶動標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿5轉(zhuǎn)動;如圖(12)所示。
3、球體m放在小半徑承載球座11上,球體m離心力增加,小半徑轉(zhuǎn)動連桿10帶動小半徑承載球座11上的小球m圍繞轉(zhuǎn)動軸10-0向半徑增大的方向轉(zhuǎn)動,使之拉力桿12同步圍繞與小半徑連桿10共同的移動轉(zhuǎn)動軸10-0向下方向轉(zhuǎn)動,拉力桿12的拉力桿端點(diǎn)12-1帶動豎直移動軸向下移動,拉動滑動套管14擠壓彈簧16向下移動,待穩(wěn)定后,對應(yīng)的滑動套管14下移量為Δx1,如圖(9)、(1)、(2)所示;同樣的方法用質(zhì)量為2m的大球做實(shí)驗(yàn),觀察對應(yīng)的滑動套管14下移量為Δx2,如圖(9)、(1)、(3)所示。
可以明顯看出Δx2>Δx1,得出結(jié)論是:半徑r、角速度ω相同,質(zhì)量為2m的大球向心力大,質(zhì)量為m的小球向心力小。
向心力大小理論值計(jì)算:質(zhì)量為m的小球均放在小半徑承載球座11上,設(shè)半徑為r1,向心力為f1=mω2r1;質(zhì)量為2m的大球依放在小半徑承載球座11上,半徑依為r1,向心力為f2=2mω2r1;由此可知:f1<f2,一定會與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。其中,ω=2π/T,T=t/50,t為電機(jī)轉(zhuǎn)動50圈從熒光屏2-6上讀出的總時(shí)間t(如圖12所示)。
實(shí)驗(yàn)二:角速度ω相同、半徑r不同,質(zhì)量為m的相同兩物體向心力大小比較
1、取質(zhì)量為m相同的兩球體,分別放在小半徑承載球座11與大半徑承載球座7-3上,分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn);
2、按下控制箱2開關(guān)2-1,指示燈2-2亮,轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)動周數(shù)旋鈕2-3設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動周數(shù)50圈,按動計(jì)時(shí)開始與結(jié)束按鈕2-4;如圖(12)所示。
3、電機(jī)3以角速度ω開始轉(zhuǎn)動,電機(jī)3轉(zhuǎn)軸帶動標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿5轉(zhuǎn)動,小半徑承載球座11上球體m離心力增加,小半徑轉(zhuǎn)動連桿10圍繞小半徑轉(zhuǎn)動連桿10與拉力桿12間共同的移動轉(zhuǎn)動軸10-0向半徑增大的方向轉(zhuǎn)動,拉力桿12圍繞小半徑轉(zhuǎn)動連桿10與拉力桿12間共同移動轉(zhuǎn)動軸10-0向下轉(zhuǎn)動,拉力桿12的拉力桿端點(diǎn)12-1拉動豎直橫向移動軸向下移動,帶動滑動套管14壓彈簧16向下移動,可以觀察到質(zhì)量為m小球?qū)?yīng)的滑動套管14下移量為Δx1,如圖(9)、(1)、(2)所示;然后,把質(zhì)量為m小球再放在大半徑承載球座7-3上,電機(jī)3采用同樣的角速度ω轉(zhuǎn)動,帶動標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿5轉(zhuǎn)動,大半徑承載球座7-3上小球離心力增加,大半徑轉(zhuǎn)動連桿7圍繞移動轉(zhuǎn)動軸7-0轉(zhuǎn)動,帶動大半徑與小半徑轉(zhuǎn)動連桿橫向連接桿8背向轉(zhuǎn)軸移動,拉動小半徑轉(zhuǎn)動連桿10向外轉(zhuǎn)動,小半徑轉(zhuǎn)動連桿10圍繞小半徑轉(zhuǎn)動連桿10與拉力桿12間的共同移動轉(zhuǎn)動軸10-0向半徑增大的方向轉(zhuǎn)動,拉力桿12圍繞小半徑轉(zhuǎn)動連桿10與拉力桿12間的共同移動轉(zhuǎn)動軸10-0向下轉(zhuǎn)動,拉力桿12的拉力桿端點(diǎn)12-1拉動豎直橫向移動軸向下移動,帶動滑動套管14壓彈簧16向下移動,可以觀察到質(zhì)量為m小球?qū)?yīng)的滑動套管14下移量為Δx2,如圖(9)、(1)、(3)所示;
可以明顯看出:Δx2>Δx1,說明了角速度ω相同、不同半徑的兩相同質(zhì)量m物體的向心力大小不同,半徑大的向心力大,半徑小的向心力??;
向心力大小理論值的計(jì)算:設(shè)角速度為ω,質(zhì)量為m的球體放在小半徑承載球座11上,半徑為r1(r1<r2)時(shí),向心力f1=mω2r1;質(zhì)量為m球體放在大半徑承載球座7-3上,半徑為r2(r2>r1)時(shí),向心力f2=mω2r2;由此,可以得出結(jié)論:f1<f2,一定會與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。其中,ω=2π/T,T=t/50,t為電機(jī)轉(zhuǎn)動50圈從熒光屏2-6上讀出的總時(shí)間t,(如圖12所示)。
實(shí)驗(yàn)三:半徑r、質(zhì)量m相同,轉(zhuǎn)動角速度ω不同向心力大小的比較
1、取質(zhì)量為m的兩個(gè)小球,分兩次放于小半徑承載球座11上;分兩次轉(zhuǎn)動電機(jī)加速與減速旋鈕2-7,分別設(shè)置不同角速度ω1、ω2進(jìn)行實(shí)驗(yàn);
2、按下控制箱2開關(guān)2-1,指示燈2-2亮,轉(zhuǎn)動電機(jī)轉(zhuǎn)動周數(shù)旋鈕2-3設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動周數(shù)50圈,按下計(jì)時(shí)開始與結(jié)束按鈕2-4,如圖(12)所示;
3、電機(jī)3轉(zhuǎn)軸帶動標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿5轉(zhuǎn)動,小半徑承載球座11上質(zhì)量為m的球體以角速度ω1(ω1<ω2)轉(zhuǎn)動,由于球體m離心力作用,小半徑承載球座11上小球離心力增加,小半徑轉(zhuǎn)動連桿10圍繞小半徑轉(zhuǎn)動連桿10與拉力桿12間的共同移動轉(zhuǎn)動軸10-0向半徑增大的方向轉(zhuǎn)動,拉力桿12圍繞小半徑轉(zhuǎn)動連桿10與拉力桿12間的共同移動轉(zhuǎn)動軸10-0向下轉(zhuǎn)動,拉力桿12的拉力桿端點(diǎn)12-1拉動豎直橫向轉(zhuǎn)動移動軸12-2向下移動,帶動滑動套管14壓彈簧16向下移動,可以觀察到質(zhì)量為m小球?qū)?yīng)的滑動套管14下移量為Δx1,如圖(9)、(1)、(2)所示;然后,把質(zhì)量為m球體再放在小半徑承載球座11上,電機(jī)3采用角速度ω2(ω2>ω1)轉(zhuǎn)動,帶動標(biāo)尺轉(zhuǎn)動橫桿5轉(zhuǎn)動,小半徑承載球座11上球離心力增加,小半徑轉(zhuǎn)動連桿10圍繞小半徑轉(zhuǎn)動連桿10與拉力桿12間的共同移動轉(zhuǎn)動軸10-0向半徑增大的方向轉(zhuǎn)動,拉力桿12圍繞小半徑轉(zhuǎn)動連桿10與拉力桿12間的共同移動轉(zhuǎn)動軸10-0向下轉(zhuǎn)動,拉力桿12的拉力桿端點(diǎn)12-1拉動豎直橫向移動轉(zhuǎn)動軸12-2向下移動,帶動滑動套管14壓彈簧16向下移動,可以觀察到質(zhì)量為m對應(yīng)的滑動套管14下移量為Δx2,如圖(9)、(1)、(3)所示;
可以明顯看出:Δx2>Δx1,說明兩相同質(zhì)量m球體放在同一半徑r處,若角速度ωi不同,則向心力不同,角速度ωi大的向心力大,角速度ωi小的向心力小;
向心力大小理論值的計(jì)算:實(shí)驗(yàn)時(shí),用質(zhì)量為m的球體,均放在小半徑承載球座11上,設(shè)該處半徑r1,電機(jī)轉(zhuǎn)動角速度為ω1(ω2>ω1)時(shí),向心力實(shí)驗(yàn)時(shí)所用角速度為ω2(ω2>ω1)時(shí),向心力計(jì)算所得結(jié)論為:f1<f2,一定會與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。兩次改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,電機(jī)分別轉(zhuǎn)動50圈,均可從熒光屏2-6上讀出兩次總時(shí)間分別為t1、t2(t2<t1),ω=2/T,T=t/50,所以ω1<ω2;(如圖12所示)。
向心力f大小,是通過滑動套管14的下移量體現(xiàn)出來,因?yàn)橄蛐牧Φ姆醋饔昧﹄x心力通過杠桿原理傳遞給滑動套筒一個(gè)向下分力,對彈簧施加一向下的力壓縮彈簧使彈簧縮短,彈簧彈力與彈簧的壓縮量成正比;彈簧被壓縮彈性力的計(jì)算,是根據(jù)胡克定律F=k·Δx,則F就是拉力桿12的拉力桿端點(diǎn)12-1作用在滑動套管14向下力的大小,小半徑轉(zhuǎn)動連桿10通過小半徑轉(zhuǎn)動連桿與拉力桿12共同移動轉(zhuǎn)動軸10-2轉(zhuǎn)動,拉力桿12的拉力桿端點(diǎn)12-1向下拉動豎直橫向移動轉(zhuǎn)動軸12-2,向下分力施加于滑動套管14上,向下壓彈簧使之彈簧發(fā)生彈性形變。