[發明專利]一種精確測量向心力大小實驗儀及其操作方法

在審

• 申請號: 201710421744.4
• 申請日: 2017-06-07
• 公開（公告）號: CN107123345A
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 張銳波
• 申請（專利權）人: 浙江大學城市學院
• 主分類號: G09B23/10
• 分類號: G09B23/10
• 代理公司: 杭州九洲專利事務所有限公司33101
• 代理人: 張羽振

1.一種精確測量向心力大小實驗儀，其特征在于：包括外圍框(1)、實驗儀調平支撐腿(1-0)、實驗儀側支撐壁(1-2)、實驗儀平臺(1-3)、橫向標尺桿空心固定桿支撐上梁(1-4)、實驗儀修配件存放抽屜(2)、圓形小電機(3)、電機固定架(3-1)、轉動圓盤(6)、電控箱(4)、電機供電線(5)、橫向標尺桿空心固定桿(7)、橫向標尺桿(8)和鋼性彈簧底座固定區域(9)；

實驗儀平臺(1-3)底部設置有調平支撐腿(1-0)，調平支撐腿(1-0)支撐實驗儀平臺(1-3)，在實驗儀平臺(1-3)兩側設置有左右實驗儀側支撐壁(1-2)，在實驗儀側支撐壁(1-2)頂端設置有橫向標尺桿空心固定桿支撐上梁(1-4)，在橫向標尺桿空心固定桿支撐上梁(1-4)中心與圓形小電機轉動軸(3-4)對應豎直方向固定安裝橫向標尺桿空心固定桿(7)，在橫向標尺桿空心固定桿(7)下端安裝橫向標尺桿固定上擋圈(7-1)，將固定安裝橫向標尺桿(8)安裝在橫向標尺桿固定上擋圈(7-1)下端，在橫向標尺桿(8)下端通過空心固定螺環(7-2)使橫向標尺桿(8)固定在橫向標尺桿固定上擋圈(7-1)與空心固定螺環(7-2)之間；

在圓形小電機(3)的轉軸上安裝有圓盤阻擋圈(3-2)，在圓盤阻擋圈(3-2)上端套接轉動圓盤(6)，在轉動圓盤(6)的上端安裝圓盤鎖緊螺環(3-3)，圓盤阻擋圈(3-2)和圓盤鎖緊螺環(3-3)將轉動圓盤(6)固定于其間；

圓形小電機(3)安裝在實驗平臺(1-3)的電機固定架(3-1)之間，圓形小電機轉動軸(3-4)套進橫向標尺桿空心固定桿(7)中間，通過電機固定架(3-1)將圓形小電機(3)固定。

2.根據權利要求(1)所述的精確測量向心力大小實驗儀，其特征在于：所述鋼性彈簧底座固定區域(9)包括：鋼性彈簧底座固定槽(9-0)、鋼性彈簧底座固定螺絲(9-1)、鋼性彈簧系統(9-2)、長方形實驗塊(9-3)、鋼性彈簧(9-21)和長方形實驗塊微尺(9-30)；鋼性彈簧系統底座(9-20)安裝在橫向標尺桿(8)中鋼性彈簧底座固定區域(9)的鋼性彈簧底座固定槽(9-0)的相應半徑處；長方形實驗塊(9-3)放在橫向標尺桿(8)的長方形實驗塊(9-3)的滑塊槽(9-00)內，長方形實驗塊(9-3)帶有長方形實驗塊微尺(9-30)與主尺(8-0)帶有刻度邊相鄰，且與鋼性彈簧(9-21)緊靠。

3.如權利要求1所述的精確測量向心力大小實驗儀的操作方法，其特征在于：包括如下步驟：

第一步：將鋼性彈簧系統底座(9-20)安裝在橫向標尺桿(8)中鋼性彈簧底座固定區域(9)的鋼性彈簧底座固定槽(9-0)的相應半徑處；

第二步：將質量為m₁的長方形實驗塊(9-3)放在橫向標尺桿(8)的長方形實驗塊(9-3) 的滑塊槽(9-00)內，長方形實驗塊(9-3)帶有微尺邊(9-30)與主尺(8-0)帶有刻度邊相鄰，且與鋼性彈簧(9-21)緊靠，讀取長方形實驗塊(9-3)質心位置初讀數x₁；

第三步：實驗時，將電空箱設置成n圈，轉動n圈所需時間t，電機轉動角速度ω₀；打開電控箱(4)電源(4-1)，指示燈(4-0)亮，電機(3)帶動轉動圓盤(6)開始轉動，按動計時開始按鈕(4-2)，待電機(4)轉動50圈，即轉動圓盤(6)轉動50圈，電機(4)帶動轉盤(6)自動停止轉動，轉動50圈所用總時間t，則周期為T＝t/50，角速度為ω＝2π/T；

第四步：電機(4)帶動轉盤(6)開始轉動過程中，長方形實驗塊(9-3)就會在轉動圓盤(6)表面在橫向標尺桿(8)內滑塊槽(9-00)中，順著滑塊槽方向與鋼性彈簧(9-21)垂直方向向外滑動，鋼性彈簧(9-21)被壓縮至某一位置；

第五步：待長方形實驗塊(9-3)在滑塊槽(9-00)中穩定后，讀取長方形實驗塊(9-3)所在位置讀數x₂；

第六步：根據如上實驗所讀取數據x₁、x₂，得鋼性彈簧被壓縮量Δx＝x₂-x₁，設鋼性彈簧的彈性系數k，根據胡克定律f＝k·Δx，該力即為長方形實驗塊(9-3)的離心力，也即長方形實驗塊(9-3)在轉動圓盤(6)上距離轉軸距離為x₂的向心力實驗值f_實驗；

第七步：又知道x₂為長方形實驗塊(9-3)到轉軸距離，根據公式(1)計算出向心力的理論值f_理論；

f＝mω²r＝m(4π²)/T²r……(1)則實驗值與理論值的比較用百分誤差表示為：

第八步：同理，采用同樣的角速度ω₀，我們將質量為m₂的長方形實驗塊(9-3)放在橫向標尺桿(8)的長方形實驗塊(9-3)的滑塊槽(9-00)內，其中m₂>m₁，長方形實驗塊(9-3)帶有微尺邊(9-30)與主尺(8-0)邊相鄰，且與鋼性彈簧(9-21)緊靠，讀取長方形實驗塊(9-3)質心位置初讀數x₁；做實驗，電機(3)帶動轉動圓盤(6)轉動，待長方形實驗塊(9-3)在滑塊槽(9-00)中穩定后，讀取長方形實驗塊(9-3)所在位置讀數x₃，則Δx′＝x₃-x₁，向心力f＝k·Δx′的實驗值f_實驗；再與把m₂、x₃代入(1)式，計算出的向心力的理論值f_理論，并把理論值f_理論與實驗值f_實驗代入(2)式進行比較，即采用百分誤差表示；

第九步：如果轉動轉速設置旋鈕(4-6)，重新設置較快角速度ω₁，ω₁>ω₀；將質量為m₁的長方形實驗塊(9-3)放在橫向標尺桿(8)的長方形實驗塊(9-3)的滑塊槽(9-00)內，長方形實驗塊(9-3)帶有微尺邊(9-30)與主尺刻度(8-0)邊相鄰，且與鋼性彈簧(9-21)緊靠，讀取長方形實驗塊(9-3)質心位置初讀數x₁進行如上所述實驗，這個時候鋼性彈簧的壓縮量就會更大，即離心力更大，也就是說向心力更大，同樣可以讀出相應讀數x₄，將x₄代入公式(1)計算出向心力的理論值f_理論與實驗值f＝k·Δx′進行比較，其中Δx′＝x₄-x₁。