[发明专利]作用力平衡定律实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种作用力平衡定律实验装置，特别是采用了轻质圆形全周量角器的作用力平衡定律实验装置，属于实验工具、教具或学习用品。

背景技术

力是矢量，既有大小又有方向，力的合成或平衡符合数学的矢量和，而矢量和的运算又符合平行四边形法则或三角形法则。

物理课程中经常遇到多个力的矢量和或平衡问题，由于多个力的合成不是很直观、较为抽象，其矢量的关系也较为复杂，因此需要通过实验来进行演示、验证作用力平衡原理。

通常这类实验只能做两个力关系的试验，而需要进行多个力平衡实验时通常也只能采用简易的手工操作，测量困难、精度不准，效果很不理想，影响教学质量与学习效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

1、可对多个平衡力同时进行测量的实验装置；

2、实验装置可以方便地改变力的大小与方向；

3、力的大小与方向可以直接在实验装置上读出。

本发明提供了一种作用力平衡定律实验装置。

本发明所要解决的技术问题是通过下述技术方案实现的。

一种作用力平衡定律实验装置，用于作用力平衡实验；作用力平衡定律实验装置主要由圆形量角器、细线、弹簧秤与支撑环组成，支撑环上有分布的挂孔，圆形量角器有一个中心开孔；多根细线的一端穿过圆形量角器的中心开孔固定连接在一起，每根细线的另一端连接弹簧秤的一端，弹簧秤的另一端钩在支撑环上的挂孔里。

圆形量角器也可以有多个，全部或部分圆形量角器在中心开孔之间通过细线和弹簧秤相互连接，或者部分圆形量角器全部通过细线和弹簧秤与其它圆形量角器连接。

支撑环为圆形环、椭圆形环、多边形环或不规则形状环；圆形量角器采用360分度或100分度的轻质圆形全周量角器；细线也可以采用轻质细绳或轻质橡皮筋；弹簧秤采用轻质机械弹簧秤或轻质数显电子秤。

作用力平衡定律实验装置有两种形式：单个圆形量角器的形式与多个圆形量角器的形式。多量角器形式中其多个量角器构成一个力学系统，复杂的力学系统中与支撑环连接的圆形量角器称为力学系统的外量角器，仅与其它圆形量角器连接的量角器称为力学系统的内量角器。

多个圆形量角器构成的力学系统所受的外力由圆形量角器与支撑环之间的弹簧秤显示，力学系统内部圆形量角器之间的内部相互作用力由圆形量角器之间的弹簧秤显示。

作用力平衡定律实验装置通过在支撑环不同位置的挂孔连接多根细线和弹簧秤对多个力进行测量、实验。作用力平衡定律实验装置可以通过调整细线的长短与弹簧秤钩在支撑环上挂孔的位置非常方便地改变力的大小与方向。力的大小可以直接从弹簧秤上读出、力的方向可以直接从圆形全周量角器上读出。

由多个圆形量角器构成作用力平衡定律实验装置甚至可以测量显示力学系统内部的相互作用力，使得看不见的、抽象的力的相互作用以及内部作用力与外部作用力之间的相互关系简单直观地展现出来。

力是矢量，符合矢量运算法则。但多个力——矢量的运算则比较复杂抽象，作用力平衡定律实验装置是一种可以提供形象观察、精确测量与平衡定律验证的工具。

通过作用力平衡实验可以得出结论：一个没有质量的物体所受的力恒平衡，即：零质量物体所受力的矢量和恒为零。这个结论称为零质量受力平衡定律，简称受力平衡定律。

由此还可以得出一个推论：一个没有惯量的物体所受的力偶矩恒平衡，即：零惯量物体所受力偶矩的矢量和恒为零。这个结论称为零惯量力偶矩平衡定律，简称力偶矩平衡定律。

由于零质量物体的惯量自然为零，因此零质量物体既满足受力平衡定律、又满足力偶矩平衡定律，则两个定律统一表述为：一个没有质量的物体所受的力恒平衡、所受的力偶矩恒平衡，即：零质量物体所受力的矢量和恒为零、所受力偶矩的矢量和恒为零。这个结论称为：零质量作用力平衡定律，简称：作用力平衡定律或力衡定律。

选取任意一点为转心或任意定轴，可以得到另外一个推论：一个没有惯量的物体所受的力矩恒平衡，即：零惯量物体所受力矩的矢量和恒为零。这个结论称为零惯量力矩平衡定律，简称力矩平衡定律。由于力矩的测量比力偶矩的测量更为容易，因此力矩平衡定律更为常用。

由此作用力平衡定律还可以表述为：一个没有质量的物体所受的力恒平衡、所受的力矩恒平衡，即：零质量物体所受力的矢量和恒为零、所受力矩的矢量和恒为零。