專利名稱：導(dǎo)軌滾球演示實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及導(dǎo)軌滾球演示實(shí)驗(yàn)儀，屬大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
軸對(duì)稱剛體沿斜面滾動(dòng)的演示實(shí)驗(yàn)，對(duì)幫助大學(xué)生正確理解剛體的平面平行運(yùn)動(dòng)的規(guī)律有重要意義。國(guó)內(nèi)有的高校曾有雙圓柱沿直斜面下滾對(duì)比快慢的演示實(shí)驗(yàn)，但由于直斜面的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)，兩圓柱下滾快慢差異不明顯，很難用目測(cè)來(lái)分辨。因此實(shí)驗(yàn)演示效果不佳。
實(shí)用新型內(nèi)容大學(xué)物理中的質(zhì)心定理說(shuō)明，剛體或質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心的加速度等于合外力除以總質(zhì)量；質(zhì)心系的特點(diǎn)是慣性力系對(duì)于通過(guò)質(zhì)心的任一軸的力矩均為零，故在質(zhì)心系中處理剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，可以如同在慣性系中一樣不用管它是不是慣性系；柯尼希定理說(shuō)明剛體的動(dòng)能等于質(zhì)心的動(dòng)能與剛體繞過(guò)質(zhì)心的軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能之和。據(jù)此可求解軸對(duì)稱剛體沿傾斜面平面平行運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。如圖1.所示，以y表示剛體的質(zhì)心坐標(biāo)。
分析剛體O所受的力重力mg豎直向下，作用于質(zhì)心；正壓力N垂直于斜面向上，作用于底側(cè)部，力的作用線過(guò)質(zhì)心；靜摩擦力f沿斜面向上，作用于底側(cè)部。根據(jù)上述原理可列出方程如下。
mgsinα-f=my··]]>N-mg cosα＝0fR=Jθ··]]>y··=Rθ··]]>式中，R為剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，J為剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。據(jù)此可解出下列結(jié)果。這些結(jié)果告訴我們m、J、R等量是如何影響剛體的運(yùn)動(dòng)的，例如下列第二式告訴我們們?cè)趍、J相同時(shí)，剛體質(zhì)心的加速度隨R的增加而增加。本儀器選取的兩個(gè)滾動(dòng)剛體為兩個(gè)均勻球體，它們的半徑r相同，質(zhì)量m相同，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J(＝0.4mr2)也相同，但它們的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R不同。因而兩球滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)快慢的差異即可反映轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R的影響。
θ··=mgRsinαJ+mR2]]>y··=mgR2sinαJ+mR2]]>f=mgJsinαJ+mR2]]>N＝mg cosα本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)效果明顯的導(dǎo)軌滾球演示實(shí)驗(yàn)儀。
本儀器由底板、導(dǎo)軌、啟動(dòng)器和滾球組成。在底板上設(shè)置兩組導(dǎo)軌，每組導(dǎo)軌由兩塊弧形板組成。構(gòu)成兩組導(dǎo)軌的四塊弧形板的長(zhǎng)度、高度和弧形完全相同。構(gòu)成每組導(dǎo)軌的兩塊弧形板均豎直且平行地固定在底板上，有一定間距。兩組導(dǎo)軌的弧形板間距不同，所以形成了兩組寬窄不同的導(dǎo)軌。由于兩導(dǎo)軌寬窄不同，所以把相同的滾球放在上面時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)半徑即不相同。在導(dǎo)軌的一端設(shè)置有啟動(dòng)器。啟動(dòng)器可以擋住滾球和釋放滾球。滾球?yàn)橐磺蛐蝿傮w。
實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將兩個(gè)滾球分別放在兩導(dǎo)軌的一端，并用啟動(dòng)器擋住。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)即按動(dòng)啟動(dòng)器釋放滾球使它們同時(shí)下滾。滾球運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌的另一端后即自動(dòng)返回。如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)多次，由于運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，使微小的運(yùn)動(dòng)差異得以積累，便能讓人非常直觀地看出哪一個(gè)更快。本儀器可以很明顯地演示不同轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的相同球形剛體的運(yùn)動(dòng)速度的不同。繼續(xù)觀測(cè)，看哪一個(gè)球先停下來(lái)，可幫助人們了解轉(zhuǎn)動(dòng)半徑對(duì)滾球能耗的影響。


圖1.為剛體平面平行運(yùn)動(dòng)原理示意圖；圖2.為本演示實(shí)驗(yàn)儀側(cè)視示意圖；圖3.為圖2.的俯視圖；圖4.為弧形板結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本演示實(shí)驗(yàn)儀(見(jiàn)圖2.，圖3.)由底板1，寬導(dǎo)軌2、窄導(dǎo)軌3，裝飾板4，啟動(dòng)器5和滾球6等組成。每組導(dǎo)軌由兩塊弧形板7組成，導(dǎo)軌弧形板7與裝飾板4相連，固定在底板1上。兩組導(dǎo)軌的弧形板間距不同，從而形成兩組寬窄不同的導(dǎo)軌。由于導(dǎo)軌寬窄不同，所以滾球放在上面時(shí)其轉(zhuǎn)動(dòng)半徑即不同。啟動(dòng)器5安裝在裝飾板4上，可以繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到能擋住或釋放滾球?；⌒伟?的曲率半徑為530-600mm；直邊高約200mm；板厚3-5mm。寬導(dǎo)軌的弧形板間距為40-42mm；窄導(dǎo)軌的弧形板間距為24-30mm。滾球直徑為Φ50-52mm。
權(quán)利要求1.一種導(dǎo)軌滾球演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征是由底板、導(dǎo)軌、啟動(dòng)器和滾球組成，在底板上設(shè)置兩組導(dǎo)軌，每組導(dǎo)軌由兩塊弧形板組成，構(gòu)成兩組導(dǎo)軌的四塊弧形板的長(zhǎng)度、高度和弧形完全相同，構(gòu)成每組導(dǎo)軌的兩塊弧形板均豎直且平行地固定在底板上，有一定間距，兩組導(dǎo)軌的弧形板間距不同，在導(dǎo)軌的一端設(shè)置有啟動(dòng)器，啟動(dòng)器可以擋住滾球和釋放滾球，滾球?yàn)橐磺蛐蝿傮w。
專利摘要一種導(dǎo)軌滾球演示實(shí)驗(yàn)儀，屬教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)儀由底板、導(dǎo)軌、啟動(dòng)器和滾球組成。在底板上設(shè)置兩組導(dǎo)軌，每組導(dǎo)軌由兩塊弧形板組成。構(gòu)成兩組導(dǎo)軌的四塊弧形板的長(zhǎng)度、高度和弧形完全相同。構(gòu)成每組導(dǎo)軌的兩塊弧形板均豎直且平行地固定在底板上，有一定間距。兩組導(dǎo)軌的弧形板間距不同，在導(dǎo)軌的一端設(shè)置有啟動(dòng)器。啟動(dòng)器可以擋住滾球和釋放滾球。滾球?yàn)橐磺蛐蝿傮w。本實(shí)驗(yàn)儀可以很明顯地演示不同轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的相同球形剛體的運(yùn)動(dòng)速度不同。
文檔編號(hào)G09B23/10GK2613842SQ0324453
公開(kāi)日2004年4月28日 申請(qǐng)日期2003年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月4日
發(fā)明者路峻嶺, 汪榮寶 申請(qǐng)人:清華大學(xué)