[发明专利]一种研究转动坐标系影响下抛体运动的试验装置

说明书

本发明公开了一种研究转动坐标系影响下抛体运动的试验装置，本发明的试验装置主要包括：离心机、外箱、中置架、抛体装置、影像记录装置等。本发明依托离心机，可以实现在不同加速度及转动速度的条件下，对不同初速度大小以及方向的小钢球进行抛体运动的监测，并通过影像记录系统得到小球在三维空间上的运动轨迹，得到转动坐标系中复杂受力情况下小球的运动轨迹，解决了旋转坐标系中复杂受力情况下抛体运动小球的运动问题，操作简单，试验结果准确，优势突出。通过本发明的实验装置可在室内开展旋转坐标系中复杂的抛体运动研究，提供研究用具以及教学用具。

技术领域

本发明属于旋转坐标系中复杂受力情况下抛体运动研究领域，涉及一种研究转动坐标系影响下抛体运动的试验装置。

背景技术

在抛体运动研究中，现如今的教学均为基础的、简单的抛体运动，仅需简单的计算公式即可得出其受力状态及运动轨迹，但是实际生活以及科研工作当中，抛体运动涉及之处并不只是如此。在静坐标系中，抛体运动可以通过简单的计算得出物体的运动轨迹，但是在旋转坐标系中，参考系的不同会导致抛体运动变得复杂。地球就是一个庞大的旋转坐标系，在旋转坐标系中的抛体运动，除了受到万有引力的作用，还受到旋转坐标系对运动物体的摩擦力，这会导致旋转过程中运动的物体，其加速度、加速度方向、速度方向都在不停地变化，以至于其运动变得复杂难明，在此过程中出现的科氏加速度就是其中之一。例如宏观上大气中的气旋在南北半球中的旋转方向不同，微观上使得转动分子的震动变得复杂，使分子的转动与震动相互影响。通过对旋转坐标系中物体的运动方式进行深入研究，可进一步完善科氏加速度影响下物体运动方式，从室内观测旋转坐标系中物体的运动轨迹，补充相关科研工作中的空白。

而现有的实验仪器中，多以试验演示装置为主，对于科学研究设备还需要进一步开发。

发明内容

本发明针对旋转坐标系中抛体运动在教学中难以理解，并且科学研究过程中缺乏试验设备、教学用具不足的情况下，提出了一种研究转动坐标系影响下抛体运动的试验装置。本发明依托离心机建立旋转坐标系，通过抛体装置实现多个小球的不同初速度大小以及方向的运动对比，通过影像记录系统对小球运动轨迹进行记录分析，通过注水/注油等方式改变抛体过程中受到的阻力。具有适用性广泛、试验结果明晰、试验流程简单等诸多优点，解决了旋转坐标系中探究抛体运动缺乏试验仪器的问题。

本发明采取以下技术方案：

一种研究转动坐标系影响下抛体运动的试验装置，包括离心机、离心室和固定于离心室内的外箱和影像记录装置，所述外箱内设有中置架和抛体装置，所述的抛体装置通过中置架固定于外箱内；所述抛体装置与中置架之间的角度可调；所述的中置架高度及其与外箱底部之间的角度可调；所述的离心机用于提供转动坐标系；所述的抛体装置用于发射小钢球，所述的影像记录装置用于记录小钢球在转动坐标系下的运动；

所述的抛体装置包括横梁、以及设于横梁内的挡板；所述横梁上固定有若干加速管，不同加速管与横梁上表面所成角度不同；所有加速管的入口和出口分别在一条直线上，且出口所在直线与入口所在直线相互平行；所述挡板位于加速管上端，所述小钢球放于挡板上，抽出挡板可同时发射多个小钢球，所述小钢球从加速管顶部入口运动至其底部出口时被加速，最终抛出后开始抛体运动。

上述技术方案中，进一步地，所述挡板上还设有限位板，用于限制挡板的运动；所述挡板的位置由步进电机控制变化。

进一步地，所述的中置架底端与外箱底部铰接，通过两个液压杆一可改变中置架的竖直方向倾角；所述中置架上端与抛体装置铰接，通过液压杆二可调整抛体装置的角度，进而改变加速管的角度，从而改变小钢球的初速度方向及大小。

进一步地，所述的外箱顶部设有注水孔和恒压孔，通过注水孔可对外箱注满液体，通过恒压孔对外箱内部加压，从而模拟抛体运动过程中的摩阻力。

进一步地，所述外箱的侧壁材质为钢化玻璃，所述的影像记录装置通过外箱侧壁对小钢球的运动进行拍摄记录。