[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

技術領域

本發明涉及實驗儀，尤其涉及一種精確測量向心力大小實驗儀。

背景技術

向心力是高中物理和大學物理學力學部分的一個重要概念，向心力大小與物體的質量、轉動物體的角速度(或周期)以及物體到轉軸的距離都有關系。眾所周知：作勻速圓周運動物體的向心力大小，與物體質量成正比，與物體運動角速度平方成正比(周期平方成反比)，以及與物體到轉軸距離成正比；然而，目前為止，市面上與大中學校物理實驗室只有向心力定性演示實驗儀器設備，還沒有看到過精確測量向心力大小的實驗儀設備。

發明內容

為了克服現有技術不足，本發明提供了一種結構合理，測量精度高的精確測量向心力大小實驗儀。

為實現上述技術目的，本發明采用了以下技術方案：

精確測量向心力大小實驗儀，包括外圍框、實驗儀調平支撐腿、實驗儀側支撐壁、實驗儀平臺、橫向標尺桿空心固定桿支撐上梁、實驗儀修配件存放抽屜、圓形小電機、電機固定架、轉動圓盤、電控箱、電機供電線、橫向標尺桿空心固定桿、橫向標尺桿和鋼性彈簧底座固定區域；

實驗儀平臺底部設置有調平支撐腿，調平支撐腿支撐實驗儀平臺，在實驗儀平臺兩側設置有左右實驗儀側支撐壁，在實驗儀側支撐壁頂端設置有橫向標尺桿空心固定桿支撐上梁，在橫向標尺桿空心固定桿支撐上梁中心與圓形小電機轉動軸對應豎直方向固定安裝橫向標尺桿空心固定桿，在橫向標尺桿空心固定桿下端安裝橫向標尺桿固定上擋圈，將固定安裝橫向標尺桿安裝在橫向標尺桿固定上擋圈下端，在橫向標尺桿下端通過空心固定螺環使橫向標尺桿固定在橫向標尺桿固定上擋圈與空心固定螺環之間；

在圓形小電機的轉軸上安裝有圓盤阻擋圈，在圓盤阻擋圈上端套接轉動圓盤，在轉動圓盤的上端安裝圓盤鎖緊螺環，圓盤阻擋圈和圓盤鎖緊螺環將轉動圓盤固定于其間；

圓形小電機安裝在實驗平臺的電機固定架之間，圓形小電機轉動軸套進橫向標尺桿空心固定桿中間，通過電機固定架將圓形小電機固定。

作為優選：所述鋼性彈簧底座固定區域包括：鋼性彈簧底座固定槽、鋼性彈簧底座固定螺絲、鋼性彈簧系統、長方形實驗塊、鋼性彈簧和長方形實驗塊微尺；鋼性彈簧系統底座安裝在橫向標尺桿中鋼性彈簧底座固定區域的鋼性彈簧底座固定槽的相應半徑處；長方形實驗塊放在橫向標尺桿的長方形實驗塊的滑塊槽內，長方形實驗塊帶有長方形實驗塊微尺與主尺帶有刻度邊相鄰，且與鋼性彈簧緊靠。

這種精確測量向心力大小實驗儀的操作方法,包括如下步驟：

第一步：將鋼性彈簧系統底座安裝在橫向標尺桿中鋼性彈簧底座固定區域的鋼性彈簧底座固定槽的相應半徑處；

第二步：將質量為m₁的長方形實驗塊放在橫向標尺桿的長方形實驗塊的滑塊槽內，長方形實驗塊帶有微尺邊與主尺帶有刻度邊相鄰，且與鋼性彈簧緊靠，讀取長方形實驗塊質心位置初讀數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(rad/s)；打開電控箱電源，指示燈亮，電機帶動轉動圓盤開始轉動，轉動圈數設置旋鈕設置電機轉動圈，圈數顯示屏顯示，按動計時開始按鈕，待電機轉動50圈，即轉動圓盤轉動50圈，電機帶動轉盤自動停止轉動，時間顯示屏會顯示轉動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：電機帶動轉盤開始轉動過程中，長方形實驗塊就會在轉動圓盤表面在橫向標尺桿內滑塊槽中，順著滑塊槽方向與鋼性彈簧垂直方向向外滑動，鋼性彈簧被壓縮至某一位置；

第五步：待長方形實驗塊在滑塊槽中穩定后，讀取長方形實驗塊所在位置讀數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的離心力，也即長方形實驗塊在轉動圓盤上距離轉軸距離為x₂的向心力；

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

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：