一种圆周运动教学演示仪及其使用方法

摘要

本发明涉及一种圆周运动教学演示仪及其使用方法，一种圆周运动教学演示仪，包括底座、立板、调速电机、控制器、电力装置，所述底座上表面垂直安装有长方形或正方形立板，底座上表面在立板的一侧设有调速电机，调速电机上的输出轴穿过立板设在立板的另一侧，调速电机的输出轴可拆卸安装有第一皮带轮，所述立板上位于输出轴的正上方设有转轴，所述转轴上位于第一皮带轮的正上方可拆卸安装有第二皮带轮或绳线，一种圆周运动教学演示仪的使用方法，包括方法A、方法B，有益效果为：更形象的让学生理解线速度、角速度、周期物理量以及他们之间的关系，同时能够直观的理解竖直面内的圆周运动状态。

说明书

技术领域

本发明涉及教学器械领域，具体涉及一种圆周运动教学演示仪及其使用方法。

背景技术

高中物理在讲解圆周运动的时候，涉及匀速圆周运动和变速圆周运动，圆周运动还引进了线速度、角速度、周期等新的物理量，学生不容易理解各个物理量之间的关系，在教学过程中典型的变速运动是在竖直面内的运功状况，竖直平面中的质点运动的速度分解情况、受力情况以及加速度的变化情况，教师一般都是通过画图的方式帮助学生理解，既不直观也缺乏趣味性，学生不能将现象与数值相结合的理解。

发明内容

为克服所述不足，本发明的目的在于提供一种圆周运动教学演示仪及其使用方法，能够更形象的让学生理解线速度、角速度、周期物理量及其之间的关系，同时也能够直观的理解竖直面内的圆周运动状态，节能环保。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种圆周运动教学演示仪，包括底座、立板、调速电机、控制器、电力装置，所述底座内设有电力装置、控制器，所述底座外设有电源开关，所述电力装置包括太阳能发电板、蓄电池、转换控制电路、充电控制电路、输出控制电路，所述底座上表面垂直安装有长方形或正方形立板，底座上表面在立板的一侧设有调速电机，调速电机的输出轴穿过立板设在立板的另一侧，调速电机的输出轴上设有第一角度感应器，输出轴可拆卸安装有第一皮带轮，所述立板上位于输出轴的正上方设有转轴，所述转轴上设有第二角度感应器，所述转轴上位于第一皮带轮的正上方可拆卸安装有第二皮带轮或绳线，所述第一皮带轮和第二皮带轮通过皮带相连接，所述绳线的自由端设有重锤，所述底座上表面的在转轴一侧垂直设有立杆，所述立杆上通过夹子安装有电磁铁，所述电磁铁垂直于立杆，所述电磁铁的另一端设有弹簧，所述弹簧的另一端连接有软铁块，所述电磁铁两端通过可变电阻与电力装置相连，所述立板上设有水平速度测试装置、垂直速度测试装置，所述立板上与转轴相对的一面设有太阳能发电板，所述太阳能发电板与电力装置相连；

所述第一角度感应器、第二角度感应器、水平速度测试装置、垂直速度测试装置分别通过信号线路与控制器相连，控制器内设有时钟芯片、信号处理器、数据存储模块、电源模块、无线信号发送模块，所述电源模块与电力装置相连，所述控制器连接有触摸显示器。

具体地，所述底座上表面设有水准泡，所述底座下面四角分别设有调节支腿，便于调节底座的水平位置，确保竖直平面内的圆周圆周运动顺利进行。

具体地，所述第一皮带轮与第二皮带轮的半径不同，所述第一皮带轮至少设有两个半径不同的型号，所述第二皮带轮至少设有两个半径不同的型号。

具体地，所述第一皮带轮、第二皮带轮均设有通过圆心的角度指示针。

具体地，所述立板上转轴一侧设有两个角度盘，其中一个角度盘的圆心与第一皮带轮圆心的连线垂直于立板，另一个角度盘的圆心与第二皮带轮圆心的连线垂直于立板。

具体地，所述水平速度测试装置包括设在立板上转轴一面上侧的一排均匀分布且平行于底座的激光发射器，以及设在输出轴与转轴之间的一排与激光发射器一一对应的光电二极管，用于测试重锤水平方向的运动速度；所述垂直速度测试装置包括设在立板上转轴一面的一侧的一排垂直于底座的均匀分布的激光发射器，以及设在另一侧的与激光发射器一一对应的光电二极管，用于测试重锤竖直方向的运动速度。

具体地，所述太阳能发电板通过转换控制电路、充电控制电路与蓄电池相连，蓄电池通过输出电路与电磁铁、控制器以及调速电机相连，所述转换控制电路上设有稳压二极管，充电控制电路设有防反冲二极管、过充电保护电路，输出电路上设有防短路保护电路、过放电保护电路。

具体地，所述电源开关包括调速电机电源开关、电磁铁电源开关、控制器电源开关。

一种圆周运动教学演示仪的使用方法，包括方法A、方法B：

方法A：演示物理量线速度、角速度、周期以及各物理量之间相互关系，其步骤包括：D1、选取适当的第一皮带轮和第二皮带轮，将第一皮带轮安装在调速电机的输出轴上，将第二皮带轮安装在转轴上，将皮带安装在第一皮带轮、第二皮带轮上；D2、调节第一皮带轮、第二皮带轮的角度指示针，使其角度方向一致，便于演示时学生直观的观察第一皮带轮和第二皮带轮的角度变化情况；D3、设定调速电机的速度，并通过触摸显示屏输入，同时在触摸显示屏上分别输入第一皮带轮和第二皮带轮的半径；D4、打开调速电机电源开关，输出轴带动第一皮带轮转动，第一皮带轮在皮带的作用下带动第二皮带轮转动，第二皮带轮带动转轴转动；D5、第一角度感应器、第二角度感应器分别将输出轴、转轴的角度变化输入控制器，控制器内的信号处理器根据角度变化和时钟芯片提供的时间变化计算出第一皮带轮、第二皮带轮的角速度，并根据第一皮带轮和第二皮带轮的角速度和半径计算第一皮带轮和第二皮带轮线速度，并将得出的角速度和线速度存入数据存储模块，同时显示在触摸显示屏上，而且教师可以随时停止调速电机，让学生观察第一皮带轮、第二皮带轮各自的角度指示针所指的角度与开始时的差别，让学生更直观的了解第一皮带轮、第二皮带轮的角度变化关系；D6、调整调速电机的速度，重复步骤D4、步骤D5；D7、更换第一皮带轮或第二皮带轮的型号，重复步骤D1、步骤D2、步骤D3、步骤D4、步骤D5；D8、前面步骤结束后，控制器将各试验中的调速电机的速度、第一皮带轮的角速度、第二皮带轮的角速度、第一皮带轮的线速度、第二皮带轮的线速度进行对比，并展示线速度、角速度、周期之前的关系，同时解释周期的概念。

方法B：演示竖直面内的圆周运动，其步骤包括：D1、根据底座上表面设有的水准泡，调节底座下面四角的调节支腿，使底座上表面处于水平状态；D2、将带有重锤的绳线安装在转轴上，触摸显示屏上输入重锤重心与转轴圆心的距离，所述距离为竖直平面内圆周运动的半径；D3、调整夹子在立杆上的高度，使电磁铁与重锤在同一水平面上；D4、打开电磁铁电源开关，调节可变电阻的电阻，通电后电磁铁产生磁性，吸引弹簧另一端的软铁块，使弹簧压缩，产生弹性势能；D5、切断电磁铁电源开关，弹簧的弹性势能释放，变为软铁块的动能，软铁块撞击重锤，使重锤产生水平方向的动能，在绳线的牵引下，做竖直面内的圆周运动；D6、第二角度感应器将转轴的角度变化输入控制器，控制器内的信号处理器根据角度变化和时钟芯片提供的时间变化计算出转轴的角速度，并根据竖直平面内圆周运动的半径计算重锤的线速度，同时水平速度测试装置、垂直速度测试装置分别将重锤水平方向的速度、垂直方向的速度输入控制器，控制器计算重锤水平方向的速度、垂直方向的速度与重锤线速度的关系，并显示在触摸显示屏上，方便学生理解竖直面内重锤运动的速度变化；D7、根据需要改变可变电阻的电阻，重复步骤D5、步骤D6，演示重锤不同的初始速度产生的竖直面内圆周运动的变化情况，其原理为：电磁铁的磁场强度发生变化，吸引弹簧另一端的软铁块的力发生变化，同时使弹簧压缩的程度发生变化，进而弹簧产生弹性势能变化，在切断电磁铁电源开关时，软铁块的动能发生变化，软铁块撞击重锤后，重锤水平方向的动能发生变化，其产生的结果便为重锤初始速度产生变化；D8、根据重锤不同的初始速度产生的竖直面内圆周运动的变化情况，为学生讲解重锤受力的变化情况，延伸讲解重锤运动过程中加速度的变化情况。

本发明具有以下有益效果：更形象的让学生理解线速度、角速度、周期等物理量及其之间的关系，同时能够直观的理解竖直面内的圆周运动状态，使学生了解竖直平面中质点运动的速度分解情况、受力情况以及加速度的变化情况，增加了物理课堂的趣味性，学生能将现象与数值相结合，而且太阳能发电装置的使用既节能环保，又能延伸物理中的能量转换知识，提升学生探求科学知识的积极性。

附图说明

图1是本发明方法A演示时的主视图。

图2是本发明方法A演示时的右视图。

图3是本发明方法B演示时的主视图。

图4是本发明方法B演示时的右视图。

图5是本发明的背视图。

图中，1底座，11调节支腿，12电源开关，13触摸显示屏，2立板，21太阳能发电板，22转轴，23角度盘，3调速电机，31输出轴，4立杆，41电磁铁，42夹子，43弹簧，44软铁块，45可变电阻，5绳线，51重锤，61垂直速度测试装置，62水平速度测试装置，7第二皮带轮，78角度指示针，8第一皮带轮，9皮带。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

根据图1、图2、图3、图4、图5所示的一种圆周运动教学演示仪，包括底座1、立板2、调速电机3、控制器、电力装置，所述底座1内设有电力装置、控制器，所述底座1外设有电源开关12，所述电力装置包括太阳能发电板21、蓄电池、转换控制电路、充电控制电路、输出控制电路，所述底座1上表面垂直安装有长方形或正方形立板2，底座1上表面在立板2的一侧设有调速电机3，调速电机3上的输出轴31穿过立板2设在立板2的另一侧，调速电机3上的输出轴31设有第一角度感应器，输出轴31可拆卸安装有第一皮带轮8，所述立板2上位于输出轴31的正上方设有转轴22，所述转轴22上设有第二角度感应器，所述转轴22上位于第一皮带轮8的正上方可拆卸安装有第二皮带轮7或绳线5，所述第一皮带轮8和第二皮带轮7通过皮带9相连接，所述绳线5的自由端设有重锤51，所述底座1上表面的在转轴22一侧垂直设有立杆4，所述立杆4上通过夹子42安装有电磁铁41，所述电磁铁41垂直于立杆4，所述电磁铁4的另一端设有弹簧43，所述弹簧43的另一端连接有软铁块44，所述电磁铁41两端通过可变电阻45与电力装置相连，所述立板5上设有水平速度测试装置62、垂直速度测试装置61，所述立板2上与转轴22相对的一面设有太阳能发电板61，所述太阳能发电板61与电力装置相连；

所述第一角度感应器、第二角度感应器、水平速度测试装置、垂直速度测试装置分别通过信号线路与控制器相连，控制器内设有时钟芯片、信号处理器、数据存储模块、电源模块、无线信号发送模块，无线电发送模块可将实验数据及时传送到带有无线电接收装置的电脑上，为学生展示实验数据，所述电源模块与电力装置相连，所述控制器连接有触摸显示器13。

具体地，所述底座1上表面设有水准泡，所述底座1下面四角分别设有调节支腿11，便于调节底座1的水平位置，确保竖直平面内的圆周圆周运动顺利进行。

具体地，所述第一皮带轮8与第二皮带轮7的半径不同，所述第一皮带轮8至少设有两个半径不同的型号，所述第二皮带轮7至少设有两个半径不同的型号。

具体地，所述第一皮带轮8、第二皮带轮7均设有通过圆心的角度指示针78。

具体地，所述立板2上转轴22一侧设有两个角度盘23，其中一个角度盘23的圆心与第一皮带轮8圆心的连线垂直于立板2，另一个角度盘23的圆心与第二皮带轮7圆心的连线垂直于立板2。

具体地，所述水平速度测试装置62包括设在立板2上转轴22一面上侧的一排均匀分布且平行于底座1的激光发射器，以及设在输出轴31与转轴22之间的一排与激光发射器一一对应的光电二极管，用于测试重锤51水平方向的运动速度；所述垂直速度测试装置61包括设在立板2上转轴22一面的一侧的一排垂直于底座1的均匀分布的激光发射器，以及设在另一侧的与激光发射器一一对应的光电二极管，用于测试重锤51竖直方向的运动速度。

具体地，所述太阳能发电板21通过转换控制电路、充电控制电路与蓄电池相连，蓄电池通过输出电路与电磁铁、控制器以及调速电机相连，所述转换控制电路上设有稳压二极管，充电控制电路设有防反冲二极管、过充电保护电路，输出电路上设有防短路保护电路、过放电保护电路。

具体地，所述电源开关12包括调速电机电源开关、电磁铁电源开关、控制器电源开关。

一种圆周运动教学演示仪的使用方法，包括方法A、方法B：

方法A：演示物理量线速度、角速度、周期及其相互关系，其步骤包括：D1、选取适当的第一皮带轮8和第二皮带轮7，将第一皮带轮8安装在调速电机3的输出轴31上，将第二皮带轮7安装在转轴22上，将皮带9安装在第一皮带轮8、第二皮带轮7上；D2、调节第一皮带轮8、第二皮带轮7的角度指示针78，使其角度方向一致，便于演示时学生直观的观察第一皮带轮8和第二皮带轮7的角度变化情况；D3、设定调速电机3的速度，并通过触摸显示屏13输入，同时在触摸显示屏13上分别输入第一皮带轮8和第二皮带轮7的半径；D4、打开调速电机电源开关，输出轴31带动第一皮带轮8转动，第一皮带轮8在皮带9的作用下带动第二皮带轮7转动，第二皮带轮7带动转轴22转动；D5、第一角度感应器、第二角度感应器分别将输出轴31、转轴22的角度变化输入控制器，控制器内的信号处理器根据角度变化和时钟芯片提供的时间变化计算出第一皮带轮8、第二皮带轮7的角速度，并根据第一皮带轮8和第二皮带轮7的角速度和半径计算第一皮带轮8和第二皮带轮7的线速度，并将得出的角速度和线速度存入数据存储模块，显示在触摸显示屏上，而且教师可以随时停止调速电机3，让学生观察第一皮带轮8、第二皮带轮7各自的角度指示针78所指的角度与开始时的差别，让学生更直观的了解第一皮带轮8、第二皮带轮7的角度变化关系；D6、调整调速电机3的速度，重复步骤D4、步骤D5；D7、更换第一皮带轮8或第二皮带轮7的型号，重复步骤D1、步骤D2、步骤D3、步骤D4、步骤D5；D8、前面步骤结束后，控制器将各试验中的调速电机3的速度、第一皮带轮8的角速度、第二皮带轮7的角速度、第一皮带轮8的线速度、第二皮带轮7的线速度进行对比，并展示线速度、角速度、周期之前的关系，同时解释周期的概念。

方法B：演示竖直面内的圆周运动，其步骤包括：D1、根据底座1上表面设有水准泡，调节底座1下面四角的调节支腿11，使底座1上表面处于水平状态；D2、将带有重锤51的绳线5安装在转轴22上，触摸显示屏13上输入重锤51重心与转轴22圆心的距离，所述距离为竖直平面内圆周运动的半径；D3、调整夹子42在立杆41上的高度，使电磁铁41与重锤51在同一水平面上；D4、打开电磁铁电源开关，调节可变电阻45的电阻，通电后电磁铁41产生磁性，吸引弹簧43另一端的软铁块44，使弹簧43压缩，产生弹性势能；D5、切断电磁铁41电源开关，弹簧43的弹性势能释放，变为软铁块44的动能，软铁块44撞击重锤51，使重锤51产生水平方向的动能，在绳线5的牵引下，做竖直面内的圆周运动；D6、第二角度感应器将转轴22的角度变化输入控制器，控制器内的信号处理器根据角度变化和时钟芯片提供的时间变化计算出转轴22的角速度，并根据竖直平面内圆周运动的半径计算重锤51的线速度，同时水平速度测试装置62、垂直速度测试装置61分别将重锤51水平方向的速度、垂直方向的速度输入控制器，控制器计算重锤51水平方向的速度、垂直方向的速度与重锤51线速度的关系，并显示在触摸显示屏上，方便学生理解竖直面内重锤51运动的速度变化；D7、根据需要改变可变电阻45的电阻大小，重复步骤D5、步骤D6，演示重锤51不同的初始速度产生的竖直面内圆周运动的变化情况，其原理为：电磁铁41的磁场强度发生变化，吸引弹簧43另一端的软铁块44的力发生变化，同时使弹簧43压缩的程度发生变化，进而弹簧43产生弹性势能变化，在切断电磁铁43电源开关时，软铁块44的动能发生变化，软铁块44撞击重锤51后，重锤51水平方向的动能发生变化，其产生的结果便为重锤51初始速度产生变化；D8、根据重锤51不同的初始速度产生的竖直面内圆周运动的变化情况，为学生讲解重锤51受力的变化情况，延伸讲解重锤51运动过程中加速度的变化情况。

本发明不局限于所述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。