本发明涉及教学设备技术领域，更具体的说是涉及一种向心力教学实验装置。
背景技术：
向心力问题是物理学中力学部分的重要内容之一，重点是做圆周运动的物体所受向心力与运动角频率、运动半径、运动对象质量之间的关系。在教学中仅仅通过教师讲解使学习者理解和接受是很困难的，必须要得到实验支持。
在高中物理教学阶段，曾经有过的实验方案是分别用外形相同质量不同的铁球和铝球做比较实验，令两球分别作匀速圆周运动，控制两运动系统的质量、旋转半径、旋转角速度等条件，通过一个弹簧装置显示和比较运动对象所受向心力的信息，实验进行者通过这些信息判断向心力与上述影响因素间的关系。这种方案有两个重要的缺陷，一是这种实验装置过于简陋只能做定性实验不能获得相应的定量关系。二是这种实验装置必须通过至少三次实验装置的设置和实验过程才能完成完整的向心力问题的研究，这在规定课时时间内是不可能完成的，这就使得这种实验装置不可能在教学中实际完成关于向心力与各相关影响因素间的关系的完整教学。
近些年出现了用传感器采集相关数据用计算机进行数据分析处理的实验教学方案。这种方案是令一个物体做匀速圆周运动，用光电门传感器和力传感器分别采集其角速度数据和所受向心力数据，然后将这些数据传输给计算机，由计算机按实验进行者提供的算法进行分析处理得出实验结论。但从现在所能知悉的实验方案和实验装置看，这些方案有一个共同的缺陷，就是只研究向心力与角速度的关系，而不能研究向心力与所有影响因素间的关系。因此，提供一种用数字化方法全面研究向心力与所有影响因素间的关系的实验装置，是本领域教学工作人员及技术人员亟需去解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种向心力教学实验装置，包括底座、旋转台和数据采集构件。底座提供装置的安装基础和装置运行时水平姿态调整功能；旋转台包括旋转盘构件和电磁阻尼减速构件；数据采集构件包括角速度数据采集构件和向心力数据采集构件，角速度数据采集构件包括光电门器件和角位移遮光板，向心力数据采集构件包括无线传输力传感器和研究对象砝码。无线传输力传感器固定安装在旋转台上，研究对象砝码通过安装在旋转台上的砝码穿装构件固定并与无线传输力传感器力学关联。在旋转台上固定若干组向心力数据采集构件，在装置运行时同步采集研究对象砝码不同旋转半径和不同质量条件下的角速度数据和向心力数据，将这些数据传送给上位计算机。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种向心力教学实验装置，包括底座、旋转台、数据采集构件和砝码穿装构件；所述旋转台转动安装在所述底座上，所述底座提供装置的安装基础和装置运行时水平姿态调整功能；所述砝码穿装构件固定安装在所述旋转台上；所述数据采集构件包括角速度数据采集构件和向心力数据采集构件，所述角速度数据采集构件安装在所述底座上，与所述旋转台非接触安装；所述向心力数据采集构件安装在所述旋转台上，并与所述砝码穿装构件连接；角速度数据采集构件用于采集旋转台旋转角速度数据；在旋转台上布置安装若干组向心力数据采集构件，通过同步采集不同旋转半径和不同质量的的向心力数据和角速度数据，获取研究向心力与各相关影响因素之间关系所需要的全部数据并传送给上位计算机。
优选的，所述底座包括基座和对地安放的支点构件；所述基座水平放置，所述基座上部开设有若干锥状销孔，下部固定安装所述支点构件；所述支点构件包括支脚和支杆，所述支杆上设有运转平面水平度调节螺旋。
优选的，所述旋转台包括旋转盘构件和永磁体电磁阻尼构件，两构件均安装在所述底座上，用于布置安装不同数目的向心力采集构件和构造再现从较高转速到较低转速的物理过程；所述旋转盘构件包括旋转盘、驱动手柄和微摩擦转动轴；所述旋转盘上开设有若干工艺孔，在所述旋转盘上表面刻有旋转半径刻度线和标志数据；所述驱动手柄固定安装在所述旋转盘中心位置；所述微摩擦转动轴为所述旋转盘的转动轴，所述微摩擦转动轴上端为光滑轴承与所述旋转盘底面的中心位置转动连接，下端为锥销状旋转杆与所述基座的所述锥状销孔进行销装连接；
所述永磁体阻尼构件包括永磁体、锥状销轴和连接件；所述锥状销轴一端与所述基座的所述锥状销孔销装，另一端通过手拧螺丝与所述连接件轴接；所述连接件与所述永磁体相对的一端固定有铁磁性材料螺杆，所述铁磁性材料螺杆上设有调整螺旋，所述永磁体套设在所述铁磁性材料螺杆上位于所述调节螺旋上方，所述调整螺旋位于所述连接件上方，所述铁磁性材料螺杆与所述永磁体相互吸引，连接后通过旋转所述调节螺旋，使所述调节螺旋在所述铁磁性材料螺杆竖直方向上旋转移动，从而带动所述永磁体沿所述铁磁性材料螺杆竖直方向移动；
所述旋转盘底面设置有非铁磁金属材料圆盘，所述非铁磁金属材料圆盘和所述永磁体构成电磁阻尼减速装置。将所述旋转盘构件和所述永磁体电磁阻尼构件在所述基座上组装之后便形成完整的旋转台局部构造，当所述旋转盘相对于所述永磁体旋转时，在所述旋转盘下面的所述非铁磁金属材料圆盘中会发生电磁感应过程产生感生涡旋电流，这个电流的强度与所述旋转盘转速正相关，其它除了与所述非铁磁性金属材料圆盘的导电特性、厚度、永磁体磁场的磁感强度相关外，还与所述非铁磁性金属材料圆盘与所述永磁体间的间隙有关，这个电流会通过产生热量耗散所述旋转盘的转动能，使所述旋转盘的转速逐渐减缓下来，也能抑制所述旋转盘转动时的转动抖动，从而获得一个平稳的、转速从很高减缓到很低的、转速覆盖充分宽的转动过程，为保证数据覆盖足够宽、数据抖动充分小提供所需物理环境。采用非铁磁性材料的考虑是避免所述非铁磁性金属材料圆盘与永磁体间发生静磁相互作用影响旋转盘稳定转动而产生数据失准现象。
通过电流产生热量耗散所述旋转盘的转动能的阻尼能力可以通过改变所述永磁体与所述旋转盘的间隙进行调整。当通过所述驱动手柄将旋转盘驱动到转速足够高后，通过所述电磁阻尼减速装置使其转速稳定缓慢下降到充分低，从而获得教学实验所需要的稳定的角速度覆盖足够宽的物理过程。由于所述旋转盘与所述永磁体间的间隙是可调整的，从而使得所述旋转盘的减速速度可控，使得该物理过程的时间为可控制可调整的，是教学实验时进行可控制教学所需要的。
优选的，所述角速度数据采集构件包括光电门器件、弧形角位移遮光板、所述锥状销轴、所述连接件大臂、连接件小臂和所述手拧螺丝；所述弧形角位移遮光板两侧直边为工作边，延长线交于所述旋转盘圆心，对所述圆心形成一个确定圆心角；所述锥状销轴一端与所述基座上的所述锥状销孔销装，另一端通过所述手拧螺丝与所述连接件大臂一端轴接；所述连接件大臂另一端通过所述手拧螺丝与所述连接件小臂一端轴接；所述光电门器件固定连接在所述连接件小臂上表面；所述角位移遮光板安装于所述旋转盘边缘，通过所述手拧螺丝调节所述连接件大臂和所述连接件小臂的位置，使得所述角位移遮光板转动遮挡所述光电门器件的光传输；所述光电门器件测量记录旋转过程中所述弧形角位移遮光板一侧直边开始挡光到另一侧直边停止挡光的时间数据，这个时间数据即为所述旋转盘发生所述圆心角大小的角度位移时经历的时间，所述角速度数据采集构件通过所述光电门器件将此时间数据传送给上位计算机，所述计算机根据该时间数据和圆心角数据生成角速度数据；
所述向心力数据采集构件包括无线传输力传感器和研究对象砝码；所述无线传输力传感器通过力传感器限位件限位安装在所述旋转盘上的所述工艺孔内，所述无线传输力传感器的力作用轴指向所述旋转盘的圆心；所述无线力传输传感器与所述研究对象砝码通过所述砝码穿装构件力学关联，所述无线传输力传感器采集的向心力数据无线传输至所述上位计算机。
优选的，所述砝码穿装构件包括平衡调节器、柔性无伸长软索、导向滑轮、所述砝码穿装轴和穿装轴吊架；
所述穿装轴吊架两个为一组在所述旋转盘上径向分布，一组所述穿装轴吊架分布于一条半径线上；
所述穿装轴吊架包括支架和柔性挂钩，所述支架一端镶嵌固定在所述旋转盘上的所述工艺孔内，另一端与所述柔性挂钩旋转连接，一组所述穿装轴吊架的所述柔性挂钩的挂点中心连线指向所述旋转盘圆心；
所述导向滑轮固定安装在接近旋转盘圆心处；具体位置由导向滑轮轮缘分别需要与指向旋转盘圆心的所述无线传输力传感器的力作用轴和所述柔性挂钩挂点中心连线相切这个条件确定；
所述砝码穿装轴穿过所述研究对象砝码，所述砝码穿装轴的两端分别挂钩在一组所述穿装轴吊架的所述柔性挂钩上；
所述平衡调节器上设有调节砝码，所述平衡调节器、所述柔性无伸长软索和所述砝码穿装轴串联连接，所述平衡调节器连接所述无线传输力传感器的力作用点；
所述柔性无伸长软索绕过所述导向滑轮与所述砝码穿装轴连接，调节所述平衡调节器上的所述调节砝码，使所述平衡调节器与所述砝码穿装轴在不同转动角速度时对所述无线力传感器的合力为零或接近于零，能支持用平衡的方法解决砝码穿装构件带来附加作用产生数据误差问题；所述柔性无伸长软索形成夹角小于90°，使得在所述旋转盘上可安装多组所述向心力数据采集构件；
所述无线传输力传感器的所述力作用轴、所述穿装轴吊架的所述挂点中心连线和所述导向滑轮导索槽中心线三线共面且平行于所述旋转盘平面。
优选的，所述柔性无伸长软索质地应是柔软的，使得其绕过所述导向滑轮仍能将作用力沿其轴线在所述无线力传感器和研究对象砝码间无失真传递，所述柔性无伸长软索的材质应是不可伸长的，避免在运转时因受力伸长改变所述研究对象砝码的转动半径。
优选的，所述研究对象砝码由若干个单位质量砝码组合而成；所述单位质量砝码中轴线方向设置有穿装孔，所述砝码穿装轴穿过所述穿装孔固定所述单位质量砝码，径向方向设置有顶紧螺丝螺孔，质心位置对应的外表面设置有中分刻度线。
优选的，选择若干组不同数量的完全相同的所述单位质量砝码通过所述穿装孔穿装在所述砝码穿装轴上，不同数量的所述单位质量砝码叠放组合构成若干组所述研究对象砝码，所述单位质量砝码的数目作为提供为给上位计算机的研究对象砝码的质量数据；所述研究对象砝码的质心位置对应的所述中分刻度线或叠合缝对准所述旋转半径刻度线，当所述研究对象砝码的数量为偶数个所述单位质量砝码时，所述研究对象砝码中间两个所述单位质量砝码接触的所述叠合缝对准所述旋转半径刻度线；当奇数个所述单位质量砝码为所述研究对象砝码时用中间位置的所述单位质量砝码的所述中分刻度线确定所述研究对象砝码的质心位置，对准所述旋转半径刻度线，并采用所述顶紧螺丝通过所述顶紧螺丝螺孔固定所述研究对象砝码位置，根据所述旋转半径刻度线读取标志数据作为给上位计算机的旋转半径数据。
优选的，一个所述装置的所述旋转台上安装有若干组所述向心力数据采集构件，在每一组所述向心力数据采集构件设置不同质量的所述组合砝码，或者将所述组合砝码固定不同的所述旋转半径位置。装置运转时同步采集不同质量、不同旋转半径的研究对象砝码的向心力--角速度数据对。获取研究向心力与各相关影响因素之间关系所需要的完整数据。
优选的，所述基座上设置有三个所述支点构件，采用三点稳定结构保证所述旋转台保持水平且稳定。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种向心力教学实验装置。装置以底座为装置构造基础，在底座的基底上设置有旋转台，旋转台上设置有电磁阻尼减速装置，可以使已经启动起来的旋转台平稳减速。在旋转台上安装数据采集构件，数据采集构件把无线传输力传感器与作为研究对象的砝码力学关联起来，用力传感器采集装置运转时研究对象砝码的向心力数据。数据采集构件上还装有角位移遮光板，与装在支座上的光电门构件构成角速度数据采集构造，采集装置运转时的角速度数据，这样能在装置在被启动后在其转速由较高到较低的过程中采集到一系列角速度--向心力数据对。如果在旋转台上安装若干组数据采集构件，每一组的研究对象砝码的质量或旋转半径设置为不同，就可以在同一个运转或数据采集过程中，同步采集到不同质量不同旋转半径条件下的研究对象砝码所受向心力--角速度实验数据对，通过一次实验操作过程完成向心力与旋转半径、质量和角速度等影响因素之间的关系的数据采集和探究。旋转台为多个向心力数据采集单元提供布置展开平台，为采集对象提供稳定的角速度数据覆盖足够宽的物理环境和物理过程，其中通过旋转盘上设置的驱动手柄提供旋转所需动力，通过永磁体阻尼构件进行实验与教学时间的控制调整。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的向心力教学实验装置侧视图；
图2附图为本发明提供的向心力教学实验装置俯视图；
图3附图为本发明提供的向心力数据采集构件安装示意图；
图4附图为本发明提供的向心力数据采集构件结构示意图；
图5附图为本发明提供的角速度数据采集构件结构示意图；
图6附图为本发明提供的永磁体电磁阻尼构件安装结构示意图；
图7附图为本发明提供的永磁体电磁阻尼构件俯视图；
图8附图为本发明提供的穿转轴吊架结构示意图；
图9附图为本发明提供的砝码正面结构示意图；
图10附图为本发明提供的砝码俯视结构示意图；
图11附图为本发明提供的装置俯视透视图；
图12附图为本发明提供的旋转盘仰视结构示意图；
图13附图为本发明提供的包含两个向心力数据采集构件的装置结构示意图；
图14附图为本发明提供的包含三个向心力数据采集构件的装置结构示意图；
图15附图为本发明提供的包含四个向心力数据采集构件的装置结构示意图。
11-基座，12-支点构件，121-支脚，122-支杆，211-旋转盘，212-驱动手柄，213-微摩擦转动轴，214-非铁磁金属材料圆盘，221-永磁体，222-锥状销轴，223-连接件，224-铁磁性材料螺杆，225-调节螺旋，226-手拧螺丝，311-光电门器件，312-弧形角位移遮光板，313-连接件大臂，314-连接件小臂，321-无线传输力传感器，322-研究对象砝码，3221-穿装孔，3222-顶紧螺丝螺孔，3223-中分刻度线，323-力传感器限位件，41-平衡调节器，411-调节砝码，42-柔性无伸长软索，43-导向滑轮，44-砝码穿装轴，45-穿装轴吊架，451-支架，452-柔性挂钩，46-旋转半径刻度线，47-标志数据。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种向心力教学实验装置，包括底座、旋转台、数据采集构件和砝码穿装构件；旋转台转动安装在底座上，底座提供装置的安装基础和装置运行时水平姿态调整功能；砝码穿装构件固定安装在旋转台上；数据采集构件包括角速度数据采集构件和向心力数据采集构件，角速度数据采集构件安装在底座上，与旋转台非接触安装；向心力数据采集构件安装在旋转台上，并与砝码穿装构件连接；角速度数据采集构件用于采集旋转台旋转角速度数据；在旋转台上布置安装若干组向心力数据采集构件，通过同步采集不同旋转半径和不同质量的的向心力数据和角速度数据，获取研究向心力与各相关影响因素之间关系所需要的全部数据并传送给上位计算机。
为了进一步优化上述技术方案，底座包括基座11和对地安放的支点构件12；基座11水平放置，基座11上部开设有若干锥状销孔，下部固定安装支点构件12；支点构件12包括支脚121和支杆122，支杆122上设有运转平面水平度调节螺旋。运转平面水平度调节螺旋可以确保研究对象的运动平面在水平面上，由于实验过程中数据的准确度与运动平面的水平度相关性很强，所以其保证了实验的准确性。
为了进一步优化上述技术方案，旋转台包括旋转盘构件和永磁体电磁阻尼构件；两构件均安装在基座11上，用于布置安装不同树木的向心力采集构件和构造再现从较高转速到较低转速的物理过程；
旋转盘构件包括旋转盘211、驱动手柄212和微摩擦转动轴213；旋转盘211上开设有若干工艺孔，在旋转盘211上表面刻有旋转半径刻度线46和标志数据47；驱动手柄212固定安装在旋转盘211中心位置；微摩擦转动轴213为旋转盘211的转动轴，微摩擦转动轴213上端为光滑轴承，与旋转盘211底面的中心位置转动连接，下端为锥销状旋转杆与基座11的锥状销孔进行销装连接；
永磁体阻尼构件包括永磁体221、锥状销轴222和连接件223；锥状销轴222一端与基座11的锥状销孔销装，另一端通过手拧螺丝226与连接件223轴接；连接件223与永磁体221相对的一端插设有铁磁性材料螺杆224，永磁体221套设在铁磁性材料螺杆224上，且在连接件223与永磁体221之间的铁磁性材料螺杆224上套设有调节螺旋225；铁磁性材料螺杆224与永磁体221相互吸引，连接后可通过旋转调节螺旋225，使得调节螺旋225在铁磁性材料螺杆224竖直方向上旋转移动，从而带动永磁体221沿竖直方向移动；
旋转盘211底面设置有非铁磁金属材料圆盘214，非铁磁金属材料圆盘214和永磁体221构成电磁阻尼减速装置。
当旋转盘211相对于永磁体221旋转时，在旋转盘211下面的非铁磁金属材料圆盘214中会发生电磁感应过程产生感生涡旋电流，这个电流的强度与旋转盘211转速正相关，其它除了与非铁磁金属材料圆盘214的导电特性、厚度、永磁体221磁场的磁感强度相关外，还与非铁磁金属材料圆盘214与永磁体221间的间隙有关，这个电流会通过产生热量耗散旋转盘211的转动能，使旋转盘211的转速逐渐减缓下来，也能抑制旋转盘211转动时的转动抖动，从而获得一个平稳的转速从很高减缓到很低转速覆盖充分宽的转动过程，为保证数据覆盖足够宽数据抖动充分小提供所需物理环境。采用非铁磁性材料的考虑是避免圆盘与永磁体间发生静磁相互作用影响旋转盘211稳定转动而产生数据失准；
电磁阻尼减速装置可以实现旋转角速度的稳定下降，构造出实验必须的物理环境和过程中角速度从充分高到充分低的覆盖足够宽变化的稳定减速转动过程，通过调节通过电流产生热量耗散所述旋转盘的转动能的阻尼能力的阻尼系数也即永磁体221与旋转盘211之间的距离，从而控制速度变化的运转时间，实现实验进度控制。
为了进一步优化上述技术方案，角速度数据采集构件包括光电门器件311、弧形角位移遮光板312、锥状销轴222、连接件大臂313、连接件小臂314和手拧螺丝226；弧形角位移遮光板312两侧直边为工作边，延长线交于旋转盘211圆心，对圆心形成一个确定圆心角；锥状销轴一端与基座11上的锥状销孔销装，另一端通过手拧螺丝226与连接件大臂313一端轴接；连接件大臂313另一端通过手拧螺丝226与连接件小臂314一端轴接；光电门器件311固定连接在连接件小臂314上表面；角位移遮光板312安装于旋转盘211边缘，通过手拧螺丝226调节连接件大臂313和连接件小臂314的位置，使得角位移遮光板312转动遮挡光电门器件311的光传输；光电门器件311测量记录旋转过程中弧形角位移遮光板312一侧直边开始挡光到另一侧直边停止挡光的时间数据，这个时间数据即为旋转盘211发生圆心角大小的角度位移时经历的时间，角速度数据采集构件通过光电门器件311将此时间数据传送给上位计算机，计算机根据该时间数据和圆心角数据生成角速度数据；
向心力数据采集构件包括无线传输力传感器321和研究对象砝码322；无线传输力传感器321通过力传感器限位件323限位安装在旋转盘211上的工艺孔内，无线力传输传感器321与研究对象砝码322经过旋转盘圆心处通过砝码穿装构件连接，无线传输力传感器321的力作用轴指向旋转盘211的圆心，无线传输力传感器321无线传输采集的向心力数据至上位计算机。
为了进一步优化上述技术方案，砝码穿装构件包括平衡调节器41、柔性无伸长软索42、导向滑轮43、砝码穿装轴44和穿装轴吊架45；
导向滑轮43固定安装在驱动手柄212一侧，接近旋转盘圆心处，具体位置由两侧分别与两条指向旋转盘211圆心的无线传输力传感器321的力作用轴和柔性挂钩452挂点中心连线相切这个条件确定；穿装轴吊架45两个为一组在旋转盘211上径向分布，一组穿装轴吊架45分布于一条半径线上；通过导向滑轮43将无线传输力传感器321和砝码322布置在导向滑轮43两侧去向旋转盘211边缘的位置，使得向心力数据采集构件沿旋转盘211圆周布置，从而在旋转盘211上可以布置多个向心力数据采集构件；
穿装轴吊架45包括支架451和柔性挂钩452，支架451一端镶嵌固定在旋转盘211上的工艺孔内，另一端与柔性挂钩452旋转连接，一组穿装轴吊架45的柔性挂钩452的挂点中心连线指向旋转盘圆心，并与导向滑轮43相切；
砝码穿装轴44穿过研究对象砝码322，砝码穿装轴44的两端分别挂钩在一组穿装轴吊架45的柔性挂钩452上；柔性挂钩452避免装置运行时由于相对运动趋势产生附加作用力；
平衡调节器41上设有调节砝码411，平衡调节器41、柔性无伸长软索42和砝码穿装轴44串联连接，平衡调节器41连接无线传输力传感器321的力作用点，柔性无伸长软索42绕过导向滑轮43与砝码穿装轴44连接，调节平衡调节器41上的调节砝码411，使平衡调节器41与砝码穿装轴44在不同转动角速度时对无线力传感器321的合力为零或接近于零，能支持用平衡的方法解决砝码穿装构件带来附加作用产生数据误差问题；柔性无伸长软索42形成夹角小于90°，使得在旋转盘211上可安装多组向心力数据采集构件，且无线传输力传感器321的力作用轴与导向滑轮43相切；无线传输力传感器321的力作用轴、穿装轴吊架45的挂点中心连线和导向滑轮43导索槽中心线三线共面且平行于旋转盘211平面，平衡调节器41可以平衡和抵消掉砝码322安装所必需的构件产生的附加量值；采用柔性无伸长软索避免装置运行时砝码322的旋转半径改变导致数据失准。
为了进一步优化上述技术方案，柔性无伸长软索42质地应是柔软的，使得其绕过导向滑轮43仍能将作用力沿其轴线在无线力传感器321和研究对象砝码322间无失真传递，柔性无伸长软索42的材质应是不可伸长的，避免在运转时因受力伸长改变研究对象砝码322的转动半径。
为了进一步优化上述技术方案，研究对象砝码322由若干个单位质量砝码组合而成；单位质量砝码中轴线方向设置有穿装孔3221，砝码穿装轴44穿过穿装孔3221固定砝码322，径向方向设置有顶紧螺丝螺孔3222，质心位置对应的外表面设置有中分刻度线3223，中分刻度线3223对准旋转半径刻度线46。
为了进一步优化上述技术方案，选择若干组不同数量的完全相同的单位质量砝码通过穿装孔3221穿装在砝码穿装轴44上，不同数量的单位质量砝码叠放组合构成若干组研究对象砝码322，单位质量砝码的数目为提供给上位计算机的数据之一；研究对象砝码322的质心位置对应的中分刻度线3223或叠合缝对准旋转半径刻度线，并采用顶紧螺丝通过顶紧螺丝螺孔3222固定研究对象砝码位置，根据旋转半径刻度线46读取标志数据47确定研究对象砝码322的旋转半径。
为了进一步优化上述技术方案，一个装置的旋转台上安装有若干组向心力数据采集构件，同步采集不同质量、不同旋转半径条件下的向心力数据。在每一组向心力数据采集构件设置不同质量的组合砝码，或者将组合砝码固定在砝码穿装轴的不同位置形成不同的旋转半径，从而采集不同条件下的向心力数据，获得质量对向心力影响的向心力--角速度数据对和旋转半径对向心力影响的向心力--角速度数据对。
为了进一步优化上述技术方案，基座11上设置有三个支点构件12，采用三点稳定结构保证旋转台保持水平且稳定。通过三个支点构件12的调整使得在装置上运作的圆周运动系统精准地运动在水平面上，以避免重力分力使得实验数据在随圆周运动过程中产生周期性失准。
实施例
本发明的一种向心力教学实验装置，包括底座、旋转台和数据采集构件。底座提供装置的安装基础和装置运行时水平姿态调整功能。旋转台包括旋转盘构件和电磁阻尼减速构件，两构件均安装在底座上，用于布置安装不同数目的向心力采集构件和构造再现从较高转速到较低转速的物理过程。数据采集构件包括角速度数据采集构件和向心力数据采集构件，角速度数据采集构件用于采集旋转台旋转角速度数据，其光电门器件通过安装件安装在底座上，其弧形角位移遮光板布置在旋转台边缘，弧形角位移遮光板两侧直边为工作边，延长线交于旋转盘圆心，对圆心形成一个确定30度圆心角；向心力数据采集构件包括无线传输力传感器、研究对象砝码、研究对象砝码穿装构件，无线传输力传感器固定安装在旋转台上，研究对象砝码通过旋转台上的砝码穿装构件安装，与无线传输力传感器构成力学关联，研究对象砝码可通过选择不同数目的单位质量砝码设置为不同质量，其中单位质量砝码的国际单位制质量为50--60*10-3kg，可通过安装在砝码穿装构件的不同位置设置为不同旋转半径。在旋转台上布置安装若干组向心力数据采集构件，通过数据采集构件同步采集不同旋转半径和不同质量的研究对象的向心力--角速度数据对，获取研究向心力与各相关影响因素之间关系所需要的全部数据并传送给电子计算机。
利用本发明装置进行实际探究实验过程中，在装置旋转台的旋转盘211上固定三组向心力采集构件，分别为1、2、3组，其中设置，1组和2组研究对象砝码322的质量相同，1组和3组的旋转半径相同，通过转动驱动手柄212驱动旋转盘211转动，在永磁体阻尼构件与旋转盘211上非铁磁金属材料圆盘构214成的电磁阻尼减速装置的作用下，旋转盘211的转速逐渐稳定降低，角速度数据采集构件中的弧形角位移遮光板312与光电门器件311配合采集角速度不断变化的旋转盘211的角速度数据，即获得研究对象砝码322的角速度数据，向心力数据采集构件中的无线传输力传感器321采集三组研究对象砝码322旋转时的向心力数据，从而获对应于三组质量、旋转半径不同的研究对象的三个向心力--角速度数据系列。
其中，研究对象砝码是装置中作为研究对象的砝码，可以由1个、2个或3个单位质量砝码叠合而成，其质量数据分别为1、2、3....。
当研究对象砝码选用一个单位质量砝码时，该砝码中分刻度线对准旋转半径刻度线；选用两个单位质量砝码时，两砝码叠合缝对准旋转半径刻度线；选用三个单位质量砝码时，中间砝码中分刻度线对准旋转半径刻度线。
本发明装置使得实验过程更加简单，通过一次装置启动操作和一对开始采集和停止采集指令操作便可完成全部实验数据采集过程。装置结构清晰简捷，实验原理明显清楚，装置运行稳定可控，实验操作简单便捷。具有很高的教学效率和教学应用可实施性。能很好的解决既要求实验数据覆盖要求宽又要求教学时间占用少的矛盾，能为计算机提供更精准的数据，支持计算机用较精准的数学解析表达式或图像描述向心力与各影响因素间的关系。最重要的，本装置能够支持在一个标准课时的时间限制条件下实际完成关于向心力与各相关影响因素间的关系的完整教学。
在实际实施中，本装置将基座、永磁体构件、光电门传感器构件均设计为物理上互相独立的模块，尤其是将上述的旋转盘分解成两个部分，一部分专事上述旋转盘的功能如图12所示，另一部分作为上述数据采集部分的结构基础，将砝码穿装构造布置安装在上方，将角位移遮光板与作为数据采集部分的结构基础合为一体如图4所示，这样便于保管、包装和运输。使用时将如图4所示的构件安装在图12所示的旋转盘功能构件上，如图13-15所示为三种安装示例，然后分别将永磁体构件、光电门传感器构件如图11所示安装在基座11上，合成整个实验装置。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
1.一种向心力教学实验装置，其特征在于，包括：底座、旋转台、数据采集构件和砝码穿装构件；所述旋转台转动安装在所述底座上；所述砝码穿装构件固定安装在所述旋转台上；所述数据采集构件包括角速度数据采集构件和向心力数据采集构件；所述角速度数据采集构件安装在所述底座上，与所述旋转台非接触安装；所述向心力数据采集构件安装在所述旋转台上，并与所述砝码穿装构件连接。
2.根据权利要求1所述的一种向心力教学实验装置，其特征在于，所述底座包括基座(11)和对地安放的支点构件(12)；所述基座(11)水平放置，所述基座(11)上部开设有若干锥状销孔，下部固定安装所述支点构件(12)；所述支点构件(12)包括支脚(121)和支杆(122)，所述支杆(122)上设有运转平面水平度调节螺旋。
3.根据权利要求2所述的一种向心力教学实验装置，其特征在于，所述旋转台包括旋转盘构件和永磁体电磁阻尼构件；
所述旋转盘构件包括旋转盘(211)、驱动手柄(212)和微摩擦转动轴(213)；所述旋转盘(211)上开设有若干工艺孔，在所述旋转盘(211)上表面刻有旋转半径刻度线(46)和标志数据(47)；所述驱动手柄(212)固定安装在所述旋转盘(211)中心位置；所述微摩擦转动轴(213)为所述旋转盘(211)的转动轴，所述微摩擦转动轴(213)上端为光滑轴承，与所述旋转盘(211)底面的中心位置转动连接，下端为锥销状旋转杆与所述基座(11)的所述锥状销孔进行销装连接；
所述永磁体阻尼构件包括永磁体(221)、锥状销轴(222)和连接件(223)；所述锥状销轴(222)一端与所述基座(11)的所述锥状销孔销装，另一端通过手拧螺丝(226)与所述连接件(223)轴接；所述连接件(223)与所述永磁体(221)相对的一端插设有铁磁性材料螺杆(224)，所述永磁体(221)套设在所述铁磁性材料螺杆(224)上，且在所述连接件(223)与所述永磁体(221)之间的所述铁磁性材料螺杆(224)上套设有调节螺旋(225)；所述铁磁性材料螺杆(224)与所述永磁体相互吸引，连接后通过旋转所述调节螺旋(225)，使所述调节螺旋(225)在所述铁磁性材料螺杆(224)竖直方向上旋转移动，从而带动所述永磁体(221)沿竖直方向移动；
所述旋转盘(211)底面设置有非铁磁金属材料圆盘(214)，所述非铁磁金属材料圆盘(214)与所述永磁体(221)发生电磁感应，所述非铁磁金属材料圆盘(214)和所述永磁体(221)构成电磁阻尼减速装置。
4.根据权利要求3所述的一种向心力教学实验装置，其特征在于，所述角速度数据采集构件包括光电门器件(311)、弧形角位移遮光板(312)、所述锥状销轴(222)、所述连接件大臂(313)、连接件小臂(314)和所述手拧螺丝(226)；所述弧形角位移遮光板两侧直边为工作边，延长线交于所述旋转盘(211)圆心，对所述圆心形成一个确定圆心角；所述锥状销轴(222)一端与所述基座(11)上的所述锥状销孔销装，另一端通过所述手拧螺丝(226)与所述连接件大臂(313)一端轴接；所述连接件大臂(313)另一端通过所述手拧螺丝(226)与所述连接件小臂(314)一端轴接；所述光电门器件(311)固定连接在所述连接件小臂(314)上表面；所述角位移遮光板(312)安装于所述旋转盘(211)边缘，通过所述手拧螺丝(226)调节所述连接件大臂(313)和所述连接件小臂(314)的位置，使得所述角位移遮光板(312)转动遮挡所述光电门器件(311)的光传输；
所述向心力数据采集构件包括无线传输力传感器(321)和研究对象砝码(322)；所述无线传输力传感器(321)通过力传感器限位件(323)限位安装在所述旋转盘(211)上的所述工艺孔内，所述无线力传输传感器(321)与所述研究对象砝码(322)经过旋转盘圆心处通过所述砝码穿装构件连接，所述无线传输力传感器(321)的力作用轴指向所述旋转盘(211)的圆心。
5.根据权利要求4所述的一种向心力教学实验装置，其特征在于，所述砝码穿装构件包括平衡调节器(41)、柔性无伸长软索(42)、导向滑轮(43)、砝码穿装轴(44)和穿装轴吊架(45)；
所述导向滑轮(43)固定安装在所述驱动手柄(212)一侧；所述穿装轴吊架(45)两个为一组在所述旋转盘(211)上径向分布，一组所述穿装轴吊架(45)分布于一条半径线上；
所述穿装轴吊架(45)包括支架(451)和柔性挂钩(452)，所述支架(451)一端镶嵌固定在所述旋转盘(211)上的所述工艺孔内，另一端与所述柔性挂钩(452)旋转连接，一组所述穿装轴吊架(45)的所述柔性挂钩(452)的挂点中心连线指向所述旋转盘圆心，并与所述导向滑轮(43)相切；
所述砝码穿装轴(44)穿过所述研究对象砝码(322)，所述砝码穿装轴(44)的两端分别挂钩在一组所述穿装轴吊架(45)的所述柔性挂钩(452)上；
所述平衡调节器(41)上设有调节砝码(411)，所述平衡调节器(41)、所述柔性无伸长软索(42)和所述砝码穿装轴(44)串联连接，所述平衡调节器(41)连接所述无线传输力传感器(321)，所述柔性无伸长软索(42)绕过所述导向滑轮(43)与所述砝码穿装轴(44)连接，所述柔性无伸长软索(42)形成夹角小于90°，所述无线传输力传感器(321)的所述力作用轴与所述导向滑轮(43)相切；
所述无线传输力传感器(321)的所述力作用轴、所述穿装轴吊架(45)的所述挂点中心连线和所述导向滑轮(43)导索槽中心线三线共面且平行于所述旋转盘(211)平面。
6.根据权利要求5所述的一种向心力教学实验装置，其特征在于，所述研究对象砝码(322)由若干个单位质量砝码组合而成；所述单位质量砝码中轴线方向设置有穿装孔(3221)，所述砝码穿装轴(44)穿过所述穿装孔(3221)固定所述单位质量砝码，径向方向设置有顶紧螺丝螺孔(3222)，质心位置对应的外表面设置有中分刻度线(3223)。
7.根据权利要求6所述的一种向心力教学实验装置，其特征在于，选择若干组不同数量的完全相同的所述单位质量砝码通过所述穿装孔(3221)穿装在所述砝码穿装轴(44)上，不同数量的所述单位质量砝码叠放组合构成若干组所述研究对象砝码(322)；所述研究对象砝码(322)的质心位置对应的所述中分刻度线(3223)或叠合缝对准所述旋转半径刻度线(46)，并采用所述顶紧螺丝通过所述顶紧螺丝螺孔(3222)固定所述研究对象砝码(322)位置，根据所述旋转半径刻度线(46)确定所述研究对象砝码(322)的所述旋转半径。
8.根据权利要求1所述的一种向心力教学实验装置，其特征在于，所述旋转台上安装若干组所述向心力数据采集构件，同步采集不同质量、不同旋转半径条件下的向心力数据。
9.根据权利要求2所述的一种向心力教学实验装置，其特征在于，所述基座(11)上设置有三个所述支点构件(12)。
技术总结