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竖直面动力学研究的装置专利

专利号:201611018123.3

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专利名称:竖直面动力学研究的装置

技术领域:教育/演示用具/图表

IPC主分类号:G09B23/10

申请号:CN201611018123.3

公开日:2019-02-19

说明书

用于竖直面动力学研究的装置

[0001] 本申请是申请号为2015100510598、发明名称为用于竖直面动力学研究的装置、申请日为2015-01-30的发明专利申请的分案申请。

技术领域

[0002] 本发明属于用于竖直面动力学研究的装置领域,尤其是研究圆周运动所涉及到的动力学装置。

背景技术

[0003] 一个细线拴着一个重物在竖直平面做圆周运动,重物在最低点时拉力大于重力,且最低点拉力最大-这都是容易被理论证明的,要想用实验表现这个现象,现有技术公开了一种研究圆周运动的装置:竖直面板,位于竖直面板下端用于支撑竖直面板的底座,竖直面板由铁板制成,还包括一个由永磁体制成的、形状为柱状的磁柱,磁柱一端吸附于竖直面板,磁柱另一端栓接一根细线,细线的上端栓接于磁柱,细线的下端悬挂一个重物。该装置的使用方法:第一步,将重物升起一定高度,且:1,使细线处于直线状态;2,细线偏离竖直位置。第二步,释放重物,重物开始做形状为圆弧的运动,即:圆周运动的一部分。选择合适的释放位置,可以达到这样的效果:在此位置释放重物,恰好可以把磁柱拉倒。理论分析如下:用T表示重物受到的拉力,用G表示重物受到的重力,用m表示重物的质量,用v表示重物经过最低点的速度,用r表示重物圆周运动的半径,推导得到,于是,得到最低点速度v越大,拉力T越大的结论。用该实验辅助讲解:磁柱被拉倒,说明拉力T比重力大。实验操作者录制了该实验的视频,在逐帧播放视频时,发现:磁柱并没有在重物处于最低点倒下,而是明显经过了最低点以后,磁柱才倒。实验操作者重复实验多次,每次都录制视频并逐帧播放,均发现该现象。这个现象和理论不符。这个现象之前没有被人发现过:要慢速播放才可以观察到这个现象。从重物经过最低点到磁柱倒掉,大约历时0.2秒。0.2秒的时间,大约是该装置所悬挂重物单摆周期的8分之1,这0.2秒内,重物经过的路程大约是振幅的三分之二,细线和竖直方向的夹角大约是40度。所以,通常从时间上观察不出该现象,慢速播放的时候,可以从重物偏离平衡位置的距离上观察到该现象。
[0004] 严格的来说,该实验和理论不符,该实验装置不宜用于圆周运动动力学的教学。换句话说:要研发一个新的装置,能演示最低点拉力大于重力的实验,并且克服上述缺陷。
[0005] 既然要研发新的装置,就要知道现有装置的问题出在哪里。有两种说法:1,细线的形变需要时间,这个时间大约是0.2s,等细线完成了形变,磁柱才受到更大的拉力而被拉倒。2,磁柱在重物经过最低点就已经开始倾倒了,但是,磁柱的长度不够长,0.2秒以后,才明显看出来磁柱倒掉。这两种说法听上去都有道理,如果要用理论知识判定哪种说法正确,这是非常复杂的理论问题。
[0006] 关于此现象,还有其他解释,那些解释可以通过理论分析直接排除,所以,在本说明书中就不表述了。
[0007] 本发明提出一种装置,该装置可以:1,验证上述两种说法哪种正确。2,克服现有装置的不足之处,并且达到实验现象和理论相符的有益效果。

发明内容

[0008] 本发明克服现有技术不足所采用的技术方案是:
[0009] 用于竖直面动力学研究的装置,包括竖直面板,位于竖直面板下端用于支撑竖直面板的底座,其特征是:竖直面板由耐火材料制成,竖直面板固定连接一个用于吸附永磁体的吸附板,吸附板用于吸附永磁体的那个面为竖直平面,
[0010] 还包括一个由永磁体制成的、形状为柱状的磁柱,磁柱一端吸附于吸附板,磁柱另一端栓接一根细线,
[0011] 细线的上端栓接于磁柱,细线的下端悬挂一个重物,细线由易于烧断的材料制成,[0012] 竖直面板设有一个贯穿竖直面板正、反面的孔,孔内设有用于喷火以便在细线偏离平衡位置之后尽早烧断细线的第一喷嘴,且第一喷嘴的喷火方向为:既垂直于竖直面板,又垂直于细线。
[0013] 孔的位置可以在:重物的斜上方,且:靠近、但不重合于细线所在的竖直线。
[0014] 孔的形状可以为:圆弧形。
[0015] 还可以包括:以经过细线的竖直平面为对称面、与第一喷嘴对称设置的第二喷嘴,且第二喷嘴的喷火方向为:既垂直于竖直面板,又垂直于细线。
[0016] 细线可以为棉线。
[0017] 吸附板可以由铁制成。
[0018] 磁柱形状可以为圆柱体。
[0019] 本发明结构简单,用本发明做相关实验,可以让实验现象和理论分析完美相符。

附图说明

[0020] 图1是现有技术的正视图。
[0021] 图2是现有技术的侧视图。
[0022] 图3是本发明实施例一的正视图。
[0023] 图4是本发明实施例一的侧视图。
[0024] 图5是本发明实施例一的侧视图。
[0025] 图6是本发明实施例一的局部放大图。
[0026] 图7是本发明实施例二的局部放大图。
[0027] 图8是本发明实施例三的正视图。
[0028] 图中:1-竖直面板,2-底座,3-磁柱,4-细线,5-重物,6-吸附板,7-孔,8-第一喷嘴,9-第二喷嘴。

具体实施方式

[0029] 附图1、2分别是现有技术的正视图和侧视图。
[0030] 实施例一
[0031] 参见附图3,是本发明的正视图,附图4是本发明的侧视图。图5是本发明的侧视图,在图5中,用虚线包围了一个范围,这些范围在图6中被放大显示,或者说,图6是图5的局部放大图。这些附图表达:
[0032] 用于竖直面动力学研究的装置,包括竖直面板1,位于竖直面板1下端用于支撑竖直面板1的底座2,其特征是:竖直面板1由耐火材料制成,竖直面板1固定连接一个用于吸附永磁体的吸附板6,吸附板6用于吸附永磁体的那个面为竖直平面,
[0033] 还包括一个由永磁体制成的、形状为柱状的磁柱3,磁柱3一端吸附于吸附板6,磁柱3另一端栓接一根细线4,
[0034] 细线4的上端栓接于磁柱3,细线4的下端悬挂一个重物5,细线4由易于烧断的材料制成,
[0035] 竖直面板1设有一个贯穿竖直面板1正、反面的孔7,孔7内设有用于喷火以便在细线4偏离平衡位置之后尽早烧断细线4的第一喷嘴8,且第一喷嘴8的喷火方向为:既垂直于竖直面板1,又垂直于细线4。孔7的位置在:重物5的斜上方,且:靠近、但不重合于细线4所在的竖直线。
[0036] 解释:喷嘴:本发明所述的第一喷嘴8、第二喷嘴9均指喷火的喷嘴,喷火的喷嘴属于现有技术,比如以下网页介绍的喷嘴:
[0037] http://detail.tmall.com/item.htm?spm=a230r.1.14.18.RhvunH&id=40119733829&ad_id=&am_id=&cm_id=140105335569ed55e27b&pm_id=&abbucket=5[0038] http://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.279.RhvunH&id=
16026116927&ns=1&abbucket=5#detail
[0039] http://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.212.RhvunH&id=39322048663&ns=1&abbucket=5#detail
[0040] http://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.145.RhvunH&id=38722875361&ns=1&abbucket=5#detail
[0041] http://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.34.SX1kPc&id=18445364256&ns=1&abbucket=5#detail
[0042] http://detail.tmall.com/item.htm?spm=a230r.1.14.59.SX1kPc&id=13974025302&abbucket=5
[0043] 因为上述网页由www.taobao.com的商家编辑,所以,无法确保上述网页总显示为喷嘴,或许哪天商家就会编辑该网页为其他商品。
[0044] 如何让喷嘴喷火,属于现有技术,比如氧气乙炔燃烧喷火,比如便携式的丙烷喷火装置,这都是现有技术。喷嘴喷出的火焰可以有附属装置调节火焰的尺寸,使火焰非常细,这也是现有技术。
[0045] 使用方法:把磁柱3吸附于吸附板6,吸附板6可以由铁制成,先不喷火,让重物5偏离平衡位置,并且确保细线4的形状为直线,并且确保细线4平行于竖直面板1,然后释放重物5,多次实验,找到这个位置:在该位置释放重物5时,重物5在圆弧运动时恰好可以拉倒磁柱3。标记该位置。为了表述的方便,该位置记为A位置。
[0046] 用手捏着重物5,使重物5位于A位置,然后,让喷嘴喷火,调节火焰的尺寸,使火焰火力集中,火苗细细的。
[0047] 释放重物5,使细线4刚经过竖直方向后,就立即被火苗切断。
[0048] 以上演示过程全称录像,然后慢速播放,可以看到:细线4刚经过竖直方向,细线4就被烧断,与此同时,细线4产生的拉力消失,磁柱3仍然保持水平方向吸附在吸附板6,经过大约0.2秒的时间,明显观察到磁柱3倾倒。
[0049] 由此说明:1,用现有技术来做该实验没有看到重物5在最低点时拉倒磁柱3,不是因为细线4的形变需要相应时间的原因,而是因为磁柱3的倾倒是一个由慢到快的过程,倾倒的初始阶段,即使慢镜头播放视频,也很难发现磁柱3明显倾倒。用本发明所述的装置,可以证明:重物5在最低点时,拉力的确有最大值,并且拉力大于重物5的重力。
[0050] 孔7的位置在:重物5的斜上方,且:靠近、但不重合于细线4所在的竖直线。靠近这个词,通常是不清楚的表述,但是,通过上述介绍,相关领域技术人员应当理解:靠近是指:细线4经过竖直位置后,尽早烧断细线4的位置。为什么不能太迟烧断细线4呢?因为太迟烧断细线4,在视频慢速播放时,仍然看到重物5明显经过了最低点,磁柱3仍然没有倒掉。因为喷嘴喷射的火焰有一定的宽度,所以,火焰不可以在细线4位于竖直方向时就烧断细线4。要达到这样的效果:1,细线4在经过竖直位置的瞬间,火焰烧不断细线4,2,细线4经过竖直位置后,就尽早烧断细线4。这样解释后,相关领域技术人员就可以理解“靠近”二字的含义了,“靠近”这样的表述就变的清楚了。如果还觉的靠近二字不清楚,可以表述为:孔7的位置在:
重物5平衡位置的上方,竖直方向距离重物5上端1-3cm,且:水平方向距离细线4所在竖直直线1-4cm。
[0051] 为什么不用刀切断细线4呢?刀固然可以切断细线4,但是,刀同时也改变了重物5圆周运动的半径,于是造成拉力增大,磁柱3这种情况下倒掉,无法说清楚是半径减小造成的还是磁柱3倾倒较慢造成的结果。
[0052] 相关领域技术人员应当知晓,要让火焰接触细线4,而不是喷嘴本身接触细线4。
[0053] 因为喷嘴温度很高,所以,竖直面板1由耐火材料制成。比如建筑装置用的瓷砖。耐火材料往往不被永磁体吸引,所以,竖直面板1固定连接一个用于吸附永磁体的吸附板6。为了确保磁柱3水平,可以让吸附板6用于吸附永磁体的那个面为竖直平面。磁柱3形状可以为圆柱体。
[0054] 第一喷嘴8的喷火方向为:既垂直于竖直面板1,又垂直于细线4。喷嘴喷出的火焰,对细线4有一定力的作用,所以,垂直于细线4烧断细线4是减小误差的做法。
[0055] 第一喷嘴8如何安装与孔7内,是现有技术,可以固定设置,也可以可拆卸方式连接,也可以用手持焊炬,仅仅让喷嘴伸入孔7内。
[0056] 用火焰烧断细线4,如果仅仅看这个方法,完全没有创造性。但是,本发明要解决的技术问题不是如何切断细线4,而是:1,验证两种说法哪种正确。2,给出一个实验和理论相符的技术方案。发现一个从来没有被发现过的问题,这本身就是有创造性的。
[0057] 用喷嘴喷火烧断细线4,可以用极短的时间烧断细线4。细线4最好用棉线,棉线遇到喷嘴发出的火焰几乎是瞬时就烧断了。
[0058] 既然本发明说能喷火的喷嘴,那么相关领域技术人员应当知晓,本发明使用的时候要配套有燃气提供装置、燃气输送管道、燃气量或者氧气量调节装置等配套设备,这都是现有技术。
[0059] 实施例二
[0060] 参见附图7,是本发明由附图6优化的技术方案。还包括:以经过细线4的竖直平面为对称面、与第一喷嘴8对称设置的第二喷嘴9,且第二喷嘴9的喷火方向为:既垂直于竖直面板1,又垂直于细线4。
[0061] 只用一个喷嘴烧断细线4,有一个不足:喷出的火焰会让细线4受到一个很小的冲量,这个冲量的方向垂直于竖直面板1且远离竖直面板1,即使这样,还是让一部分观察者(学生)提出疑问,他们认为,是火焰对细线4施加的冲量影响了细线4的受力,然后,细线4拉倒了磁柱3。这样的说法是有一定道理的:因为火焰确实给细线4施加了一个冲量,尽管这个冲量非常非常小。为了克服这一点点的冲量,可以设置另一个喷嘴,也就是第二喷嘴9,第二喷嘴9发出的火焰和第一喷嘴8发出的火焰相交,在交点处,就是细线4经过的位置,这样,细线4在垂直于细线4方向、沿着细线4方向都不受到火焰施加的冲量。当然,两个火焰相向喷火时要尽可能缩短喷火时间,以免设备受到损害。
[0062] 如何固定第二喷嘴9,属于现有技术,可以用支架,也可以用手持焊炬---当然,手要拿稳当才可以。
[0063] 实施例三
[0064] 参见附图8,孔7的形状为:圆弧形,而且,圆弧形状的孔7,位于重物5的上方。这样的设计有一个好处就是可以调整喷火点的位置。且该圆弧形的圆心位于磁柱3和吸附板6的连接处,该圆弧形的半径略小于绳长。略小于-这三个字通常是不清楚的,但是,本申请中,略小于的意思是说:细线4被烧断的位置优选靠近重物5的位置。细线转过相同的角度,距离圆心越远,走过的弧长就越长,如果距离圆心很近的位置烧断细线,可能造成细线偏转角度过大。这个理解请参见本说明书关于“靠近”这个词的解释。
[0065] 以上各个实施例可以合理组合使用。
[0066] 相关领域技术人员应当知晓,细线4被烧断的位置优选靠近重物5的位置。
[0067] 棉线指用棉花做成的细线,棉线很容易被烧断。
[0068] 本发明结构简单,利于探究动力学的一些问题,作为辅助性实验装置,可以做到实验现象和理论相符。

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