新型科氏加速度演示儀的設計

譚子涵 姚哲芳

摘? ?要：本文針對傳統科氏加速度演示儀的結構、體型和造價進行了分析，設計出了一種造價較低、體型較小對科氏加速度存在與否進行定性分析的科氏加速度演示儀，并且繪出了科氏加速度演示儀的三視圖制作出了等比模型分析。此外，還對科氏加速度演示儀的加速帶長度和皮帶尺寸進行了計算。現有的科氏加速度演示儀往往體型較大，難以攜帶，造價較高，要想讓學生們在課堂更好地理解科氏加速度的存在，就必須設計出一種能為所有同學配備的體型較小的科氏加速演示儀。

關鍵詞：科氏加速度演示儀? 體積較小? 造價經濟? 定性分析

中圖分類號：TS951? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）05（b）-0065-02

1? 科氏加速度的概念以及現有的科氏加速度演示儀

科氏加速度是由于動系為轉動時，牽引運動與相對運動相互運動相互影響而產生的。其的計算公式可以寫為：ac=2w×vr，科氏加速度是1832年由科里奧利發現的，因而命名為科里奧利加速度，簡稱科氏加速度。這種科氏加速度在自然現象中是有所表現的，例如在北半球的江河，其右岸都受有較明顯的沖刷。

目前，無論是天津大學研制的雙電機科氏加速度演示平臺，還是河海大學研制的轉盤水泵式演示平臺，抑或是寧夏大學研制的平面機械帶式演示儀，抑或是廈門大學研制出的科氏加速度演示儀，它們的體積都較為龐大，結構稍復雜，難以在理論力學課堂上展示。雖然武漢理工大學的機械式科氏加速度演示儀和北華大學研究出的立體科氏加速度演示儀體積小巧，但是難以做到易拿易演示，儀器難以讓全部同學能夠人手一個，在課堂展示上沒能讓同學們有親手實驗學習的效果。

2? 新型科氏加速度演示儀的原理圖

本文通過研究大量資料并結合實際情況對現有存在科氏加速度的體系的原理結構圖進行了總結分析，針對體型較小、造價較低的要求進行了合理的設計和改進，最終我們選用了一個科氏加速度演示儀的設計原理圖，如圖1所示。

本科氏加速度演示機制主要是依靠主軸的旋轉和皮帶的旋轉作用，令皮帶上的小物塊受科氏加速度演示儀的作用。本科氏加速演示儀在使用時不可避免地需要考慮風力和摩擦力的影響。而科氏加速度與相對速度垂直，所以有摩擦力不影響觀察的現象和得到的結論，所以我們只要通過改變皮帶旋轉方向來分析排除風力存在對演示的影響。

若改變皮帶旋轉方向，小物體分別從皮帶邊緣的左右兩端的相同位置滑落皮帶，則說明該實驗中風力影響可忽略不計;若改變皮帶旋轉方向，小物體分別從左右兩端的不同位置下落，則說明該實驗中科氏力大于風力的影響;若改變皮帶旋轉方向，小物體從左或右端的不同位置下落，則說明該實驗中風力大于科氏力的影響;若改變皮帶旋轉方向，小物體從左或右端的相同位置下落或者沿著皮帶傳送不從左右兩端下落，則說明該實驗中沒有科氏加速度的存在。

3? 科氏加速度演示儀的設計及計算

我們設計的小物塊的大小為邊長為4mm的小立方體，主軸采用的為3V5r/min的馬達驅動，皮帶采用3V100r/min的馬達驅動，皮帶連接正反可逆開關以改變皮帶的旋轉方向，本科氏加速度演示儀釆用了一種自創的帶狀盒子的演示機構。科氏加速度演示儀的三視圖如圖2。

科氏加速度演示儀的規格小于200mm×200mm×

200mm，其主要尺寸如下：

（1）底部基座規格為180mm×120mm×60mm，其主要結構為鋁合金，通過自重和與基面較大的接觸面積以來達到支撐整體構造的目的。

（2）演示儀主體部分規格為130mm×100mm×80mm，其主要連接結構為塑料，結構較輕，方便基座結構支撐。

（3）皮帶及傳送輪的選材與尺寸計算：

皮帶主要的材質是橡膠，傳送輪的材質主要為塑料，小物塊選用木材，加速軌道選用塑料（為可拆裝護欄構造，保證小物塊在加速軌道加速時不發生左右偏移），這些都選用輕質的材料，節約造價也能減輕儀器重量。

經過查閱相關資料，我們假設皮帶和小物塊之間的摩擦因素μ=0.2，選用寬度為40mm的皮帶、直徑為20mm的傳送輪，皮帶的驅動為100r/min的馬達，主軸的驅動為5r/min的馬達，通過初等物理知識我們可以計算出小物塊加速到皮帶的速度需要的長度約為3mm，我們設計的加速軌道為1cm;小物塊在科氏加速度的影響下從皮帶兩端滑落需要的皮帶長度約為5cm，通過對計算結果、風力影響及其他因素的考慮，我們將皮帶長度設計成為12cm。

4? 結語

本科氏加速度演示儀小巧易攜帶，造價低，既經濟又簡單，實驗原理和儀器構造讓同學們一目了然，可以在理論力學課堂直接使用且每位同學都可配備。設計方案上創新，使用帶狀盒子的設計，創造出了一種新型的科氏加速度的演示構造。

參考文獻

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