模拟质量对空间弯曲的演示仪

本实用新型涉及一种模拟质量对空间弯曲的演示仪。

背景技术：

地球上的物体为什么会下落，行星为什么会绕着太阳运动，17世纪牛顿用万有引力对以上现象做了解释。他认为，万有引力是一切有质量物质的基本属性，无论两个物体相距多远，本质上它们之间都存在相互吸引的作用力，这种力和两者质量的乘积成正比，与两者距离的平方成反比。至于物体间的引力是如何传递和作用的，牛顿时代无法解决这个问题，于是在牛顿的万有引力中，引力就是一个超距作用，默认引力的传递不需要时间。1905年，爱因斯坦建立狭义相对论，推导出光速是宇宙中信息传递的极限速度，于是牛顿力学万有引力的超距作用，就明显和狭义相对论相矛盾。直到1915年，爱因斯坦建立广义相对论，才彻底解决了这个矛盾。广义相对论认为：万有引力的本质是时空弯曲，质量（或者能量）是时空弯曲的原因，物体在弯曲的三维空间中运动，就会有靠近大天体的趋势，这个趋势的直观效应，就是引力的吸引作用。换句话说，在广义相对论中，“引力”并不存在，之所以两个物体相互吸引，是因为物体在弯曲空间中运动造成的等效效应。这种等效效应由广义相对论引力场公式描述，在引力弱的地方，该公式就会退化为牛顿力学的万有引力定律。

爱因斯坦广义相对论关于黑洞的预言:黑洞是客观存在的一种天体。按照质量，天文学家将宇宙中的黑洞分成三类：恒星级质量黑洞（3倍-100倍太阳质量）、超大质量黑洞（几百万倍太阳质量以上）和中等质量黑洞（介于两者之间）。因为黑洞是一种质量极大，体积极小的天体，拥有异常强的引力，在它领域的必需区域内，连光也无法逃窜出去，这个边界称为黑洞“事件视界”，围绕黑洞的一个时空边界，一切物质甚至光线一旦越过这个边界，永远无法返回。

根据广义相对论的引力场公式与质点运动方程，一个行星绕太阳的运动基本上同牛顿的行星运动理论是一样的，但是广义相对论包含了新的内容，行星轨道近日点有着向前的进动运动。这一进动效应很小，太阳系中受到太阳引力作用最强的水星轨道近日点的进动在一百年中只有43秒的角度。这个效应在天文学界早就被观察到，但不能用牛顿的行星运动理论来说明，而现在被广义相对论的引力论圆满地解决了。按照广义相对论引力论，光在引力场中的传播也受到引力场的影响而改变方向。爱因斯坦预见到，星光经过太阳表面时，由于太阳引力场的作用而使其方向与原来方向有1.75秒角度的差别，这一差别在理论发表之后，由英国科学家爱丁顿于1919年的日食天文观察中得到证实。

广义相对论的观点解决了超距作用，但比较抽象，难于理解，因此大众对此理论的了解很有限，我们希望能制作一种模拟质量对空间弯曲的演示仪，来直观展示基于广义相对论的几种宇宙现象。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种模拟质量对空间弯曲的演示仪，它可以直观、趣味地展示质量对空间的弯曲，并演示弯曲空间对处于其中的物体、行星运动的影响效果。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种模拟质量对空间弯曲的演示仪，它包括框架、弹性布、至少两个不同重量的重球体和多个重量不完全相同的轻球体；其中，

所述框架具有圆形空间，所述弹性布张紧在所述圆形空间内；

所述重球体的体积大于所述轻球体的体积；

所述重球体适于放置在弹性布上以使得弹性布的布面产生弯曲，所述轻球体适于在弹性布弯曲的布面上运动。

进一步，所述重球体放置在弹性布的张紧在圆形空间内的部分的中间位置。

进一步为了使得模拟质量对空间弯曲的演示仪可以演示黑洞对光线的作用，所述弹性布内嵌入有多条光纤，多条光纤相互平行，其中一条光纤位于所述圆形空间的径向上。

进一步为了方便光纤通电，每条光纤设置有通电接口。

进一步，所述通电接口为usb接口。

进一步提供了一种框架的具体结构，所述框架包括台面和多个沿所述台面的周向设置、并用于支撑所述台面的支撑脚，所述圆形空间设置在所述台面的中间位置。

进一步为了方便将弹性布张紧在圆形空间内，沿圆形空间的周向在框架上设置有多个用于固定弹性布的卡扣。

进一步，所述重球体为铁球，所述轻球体为玻璃弹珠。

进一步为了方便收纳模拟质量对空间弯曲的演示仪，所述框架为可折叠框架。

进一步，模拟质量对空间弯曲的演示仪还包括用于在弹性布上发射不沿径向运动的轻球体的发射装置。

采用了上述技术方案后，本实用新型具有以下有益效果：

1、利用不同质量的重球体使弹性布的布面产生不同程度的弯曲，释放轻球体，轻球体向重球体处跌落，进而可以模拟演示质量对空间的弯曲，及弯曲空间对物体下落所起的作用；比较轻球体跌落所需时间来展示不同的质量引起不同程度的空间弯曲所产生的不同效果，具备趣味性，且比较直观；

2、在弹性布的布面中心处放一个重球体，布面便会凹陷下去，在布面上释放一个不沿径向运动的轻球体，轻球体便可以绕着重球体做椭圆运动，进而模拟演示弯曲空间对行星运动的影响，再在布面上沿相反方向释放若干个质量大小不一的轻球体，发现质量较小的轻球体在碰撞中失去能量跌入重球体处，最后剩下的轻球体的运动方向都一致，进而可以模拟演示为什么行星运动的方向都是一致的，本实用新型可以直观地演示行星的运行规律；

3、将植入在弹性布的笔直的光纤通电，模拟光线，重球体模拟黑洞，在往弹性布的

布面上放置重球体前，光纤所模拟的光线沿直线传播，在往弹性布的布面上放置重球体后，沿圆形空间的径向设置的光纤由于空间弯曲极大，所模拟的光无法射出，远离径向的光纤所模拟的光还能射出，但随着空间的弯曲而弯曲，进而可以模拟演示射向黑洞的光线都无法逃逸，所以黑洞才看起来是黑色的这一自然现象，并模拟演示光线在大质量天体附近会被弯曲这一现象，比较直观、形象、生动。

附图说明

图1为本实用新型的模拟质量对空间弯曲的演示仪的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，一种模拟质量对空间弯曲的演示仪，它包括框架、弹性布1、至少两个不同重量的重球体2和多个重量不完全相同的轻球体3；其中，

所述框架具有圆形空间，所述弹性布1张紧在所述圆形空间内；

所述重球体2的体积大于所述轻球体3的体积；

所述重球体2适于放置在弹性布1上以使得弹性布1的布面产生弯曲，所述轻球体3适于在弹性布1弯曲的布面上运动。

在本实施例中，所述框架的圆形空间的直径为1m。

在本实施例中，所述重球体2为铁球，所述轻球体3为玻璃弹珠。重球体2的直径为10cm，轻球体3的直径小于1cm。

在本实施例中，为了方便收纳模拟质量对空间弯曲的演示仪，所述框架为可折叠框架。

具体地，利用不同质量的重球体2使弹性布1的布面产生不同程度的弯曲，释放轻球体3，轻球体3向重球体2处跌落，进而可以模拟演示质量对空间的弯曲，及弯曲空间对物体下落所起的作用；比较轻球体3跌落所需时间来展示不同的质量引起不同程度的空间弯曲所产生的不同效果，具备趣味性，且比较直观；在弹性布1的布面中心处放一个重球体2，布面便会凹陷下去，在布面上释放一个不沿径向运动的轻球体

3，轻球体3便可以绕着重球体2做椭圆运动，进而模拟演示弯曲空间对行星运动的影响，再在布面上沿相反方向释放若干个质量大小不一的轻球体3，发现质量较小的轻球体3在碰撞中失去能量跌入重球体2处，最后剩下的轻球体3的运动方向都一致，进而可以模拟演示为什么行星运动的方向都是一致的，本实用新型可以直观地演示行星的运行规律。

在本实施例中，所述重球体2适于放置在弹性布1的张紧在圆形空间内的部分的中间位置。

如图1所示，为了使得模拟质量对空间弯曲的演示仪可以演示黑洞对光线的作用，所述弹性布1内嵌入有多条光纤4，多条光纤4相互平行，其中一条光纤4位于所述圆形空间的径向上。

如图1所示，为了方便光纤4通电，每条光纤4设置有通电接口5。

如图1所示，所述通电接口5为usb接口。

在本实施例中，所述光纤4的直径为0.9mm，功率3w。

具体地，将植入在弹性布1的笔直的光纤4通电，模拟光线，重球体2模拟黑洞，

在往弹性布1的布面上放置重球体2前，光纤4所模拟的光线沿直线传播，在往弹性布1的布面上放置重球体2后，沿圆形空间的径向设置的光纤4由于空间弯曲极大，所模拟的光无法射出，远离径向的光纤4所模拟的光还能射出，但随着空间的弯曲而弯曲，进而可以模拟演示射向黑洞的光线都无法逃逸，所以黑洞才看起来是黑色的这一自然现象，并模拟演示光线在大质量天体附近会被弯曲这一现象，比较直观、形象、生动。

如图1所示，所述框架包括台面6和多个沿所述台面6的周向设置、并用于支撑所述台面6的支撑脚7，所述圆形空间设置在所述台面6的中间位置。

在本实施例中，所述台面6为圆环形台面。

在本实施例中，为了方便将弹性布1张紧在圆形空间内，沿圆形空间的周向在台面6上设置有多个用于固定弹性布1的卡扣。

如图1所示，模拟质量对空间弯曲的演示仪还包括用于在弹性布1上发射不沿径向运动的轻球体3的发射装置8。

以上所述的具体实施例，对本实用新型解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。