多剛體系統(tǒng)角動量守恒演示儀的制作方法
【專利摘要】一種多剛體系統(tǒng)角動量守恒演示儀，特別是能分別演示在一內(nèi)力偶矩作用下，轉(zhuǎn)動慣量相同和轉(zhuǎn)動慣量不同時，角動量守恒現(xiàn)象。該演示儀的特點是：利用三個有機玻璃制作的直徑相同、厚度相同的圓盤，其中兩個圓盤轉(zhuǎn)動慣量相同，并在圓盤邊緣制作輪齒結(jié)構(gòu)，圓盤通過軸承卡槽安置在固定于豎直安裝平面上的水平支撐軸上。利用手工鋸條制作的彈性鋼片代替彈性繩，并將其安置在兩個圓盤的輪齒之間，在外力約束作用下，緩慢轉(zhuǎn)動兩個圓盤，使得彈性鋼片發(fā)生一定形變。去掉外力約束，在內(nèi)力矩作用下，圓盤轉(zhuǎn)動狀態(tài)將發(fā)生改變。通過更換和圓盤組合，重復(fù)操作，對比觀察圓盤的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，實現(xiàn)角動量守恒定律的演示。
【專利說明】多剛體系統(tǒng)角動量守恒演示儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種多剛體系統(tǒng)角動量守恒演示儀，特別是能同時對比演示在一內(nèi)力偶矩作用下，具有不同轉(zhuǎn)動慣量剛體所展示出來的宏觀現(xiàn)象，以實現(xiàn)一種由多剛體構(gòu)成系統(tǒng)的角動量守恒現(xiàn)象的演不。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，公知的雙盤結(jié)構(gòu)的角動量守恒演示儀是由兩個完全相同、共軸且能夠繞同一對稱軸自由旋轉(zhuǎn)的圓盤，以及一根用于提供內(nèi)力偶矩的彈性繩組成。在實際操作時，將彈性繩的一端掛在一個圓盤上，彈性繩的另一端掛在另一個圓盤上。然后將兩個圓盤緩慢錯開一定角度，這樣彈性繩將發(fā)生一定的形變。此時，將位于上方的圓盤突然提起，隨即彈性繩脫落，兩個圓盤在彈性繩提供的瞬間內(nèi)力偶矩的作用下，呈角速度大小相等，但方向相反的轉(zhuǎn)動；在兩個圓盤轉(zhuǎn)動過程中，突然將提起的圓盤放下，隨即兩個圓盤相接觸，兩盤轉(zhuǎn)動立刻停止。借此現(xiàn)象，來演示角動量守恒定律。
[0003]問題是這種公知的角動量守恒演示儀，由于圓盤的盤面與水平面平行，在為學(xué)生演示時，學(xué)生在平行水平面方向觀察，實際觀察只能觀察到圓盤的側(cè)面，降低了演示實驗的宏觀效果。
[0004]這種公知的角動量守恒演示儀其缺陷還在于:兩個圓盤完全相同，即兩個圓盤的轉(zhuǎn)動慣量相同，因此不能夠演示多剛體情況下，剛體轉(zhuǎn)動慣量不同情況時，所展示出的角動量守恒制約下的宏觀現(xiàn)象。
[0005]事實上，角動量守恒現(xiàn)象多種多樣，質(zhì)量、質(zhì)量分布、固定轉(zhuǎn)軸位置，都將影響剛體的轉(zhuǎn)動慣量，進而在相同的力矩作用下，角動量的變化是雖是相同的，但物體將卻可以呈現(xiàn)不同的運動狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有的雙盤結(jié)構(gòu)的角動量守恒演示儀的缺陷和不足，本實用新型提供一種多剛體角動量守恒演示儀，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量相同、轉(zhuǎn)動慣量不同兩種情形下，多剛體角動量守恒現(xiàn)象的演示。特別是觀察者能夠觀察到轉(zhuǎn)動圓盤的盤面，而不是側(cè)面。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型實現(xiàn)多剛體角動量守恒演示的系統(tǒng)具有如下構(gòu)成:三個直徑相同的圓盤(其中兩個圓盤完全相同，另一個圓盤轉(zhuǎn)動慣量為前述圓盤轉(zhuǎn)動慣量的二分之一)、一個帶有豎直安裝平面的儀器底座、兩個水平支撐軸、兩個軸承、一根利用手工鋸條制作的彈性鋼片。
[0008]本實用新型解決問題所采用的技術(shù)方案是:利用有機玻璃材料制作三個直徑為30厘米、厚度為I厘米的圓盤，其中一個圓盤通過對稱挖空部分質(zhì)量的方式，將其轉(zhuǎn)動慣量變?yōu)樵瓉淼亩种?；在每個圓盤中心制作軸承卡槽，圓盤邊緣制作成輪齒結(jié)構(gòu)；在儀器底座上的豎直安裝平面上，垂直安裝平面并且等高度、相距40厘米，分別安裝水平支撐軸，兩個支撐軸長度相同，在兩支撐軸遠(yuǎn)平面端安裝完全相同的軸承；圓盤通過軸承卡槽，并通過軸承與支撐軸連接。
[0009]本實用新型的技術(shù)特征還在于:利用手工鋸條制作的、長度為30厘米的彈性鋼片，代替公知的彈性繩，安置在兩個圓盤的輪齒之間。在外力約束作用下，緩慢轉(zhuǎn)動兩個圓盤，使得位于兩個圓盤邊緣的齒輪之間的鋼片發(fā)生一定形變。
[0010]此時，當(dāng)突然撤去作用于圓盤的外力約束后，發(fā)生形變的鋼片瞬間對兩個圓盤提供一內(nèi)力偶矩。此時，每個圓盤，在內(nèi)力矩作用下，轉(zhuǎn)動狀態(tài)發(fā)生改變。通過更換和圓盤組合，通過對比觀察圓盤的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，重復(fù)造作，來實現(xiàn)角動量守恒定律的演示。
[0011]本實用新型的有益效果是:可以直觀對比演示轉(zhuǎn)動慣量相同時和不同時,角動量守恒的表觀現(xiàn)象。特別是經(jīng)過設(shè)計，實現(xiàn)演示過程中，觀察者能夠觀察到轉(zhuǎn)動平面，且兩個轉(zhuǎn)動平面完全分開，提高了演示效果。裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，反映的物理過程更加直觀、清晰、全面，可加深對變轉(zhuǎn)動慣量情況下，角動量守恒現(xiàn)象的認(rèn)識。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本實用新型的兩個圓盤完全相同演示時的正視圖。
[0013]圖2是本實用新型的兩個圓盤完全相同演示時的側(cè)視圖。
[0014]圖3是本實用新型的一個挖空部分質(zhì)量圓盤演示時的正視圖。
[0015]圖1中:1 一有機玻璃圓盤，2—圓盤輪齒，3—儀器底座，4一豎直安裝平面，5—彈性鋼片，6—軸承卡槽。
[0016]圖2中:7—水平支撐軸，8—軸承，9一支撐軸固定器。
[0017]圖3中:10—圓孔(挖空質(zhì)量后形成)。
【具體實施方式】
[0018]為了能夠更清楚地描述本實用新型的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實施例來進一步描述。
[0019]本實用新型涉及一種多剛體角動量守恒演示儀，能夠分別演示轉(zhuǎn)動慣量相同、轉(zhuǎn)動慣量不同兩種情況的角動量守恒現(xiàn)象。
[0020]在圖1中，該演示儀結(jié)構(gòu)由上而下安裝，分別是:豎直安裝平面、兩個完全相同的有機玻璃圓盤、底座。圓盤通過軸承卡槽與固定在豎直安裝平面上帶有軸承的水平支撐軸安裝在一起。
[0021]在圖2中，該演示儀結(jié)構(gòu)由左而右安裝，分別是:底座、豎直安裝平面、支撐軸固定器、水平支撐軸、軸承、軸承卡槽和圓盤。
[0022]在圖3中，是將圖1中的一個圓盤，更換成帶有挖空圓孔的圓盤而形成的。
[0023]本實用新型實現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量相同、轉(zhuǎn)動慣量不同時，角動量守恒現(xiàn)象演示的操作過程:(1)在圖1中，在已經(jīng)固定在豎直支撐軸上的2個圓盤的輪齒之間，在外力約束作用下，放置利用手工鋸條制作的、長度為30厘米彈性鋼片，相向緩慢轉(zhuǎn)動這兩個圓盤，使得鋼片發(fā)生一定形變。然后，突然撤去外力約束，此時這兩個圓盤，受到大小相同的內(nèi)力矩作用，角速度大小相等、方向相反地轉(zhuǎn)動起來，一段時間后，兩個圓盤將同時停下來，實現(xiàn)多剛體系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動慣量相同時，角動量守恒現(xiàn)象的演示。
[0024](2)在圖3中，是將圖1所示的結(jié)構(gòu)中一個圓盤，更換成帶有挖空圓孔的圓盤，該圓盤的轉(zhuǎn)動慣量是被替換圓盤轉(zhuǎn)動慣量的一半。完成這一準(zhǔn)備工作后，同樣在外力約束作用下，在豎直安裝平面上的兩圓盤之間放入鋼片，相向緩慢轉(zhuǎn)動這兩個圓盤，使得鋼片發(fā)生一定形變。當(dāng)突然撤去外力約束后，這兩個圓盤所受內(nèi)力矩大小相同時，但轉(zhuǎn)動慣量不同，兩者轉(zhuǎn)動快慢的宏觀效果不同，轉(zhuǎn)動慣量較小的圓盤轉(zhuǎn)動角速度較大，轉(zhuǎn)動慣量較大的圓盤轉(zhuǎn)動角速度較小，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)動慣量不同時，角動量守恒現(xiàn)象的演示。
【權(quán)利要求】
1.一種多剛體系統(tǒng)角動量守恒演示儀，其特征是:利用有機玻璃材料制作三個直徑為30厘米、厚度為I厘米的圓盤，其中一個圓盤通過對稱挖空部分質(zhì)量的方式，將其轉(zhuǎn)動慣量變?yōu)樵瓉淼亩种?；在每個圓盤中心制作軸承卡槽，圓盤邊緣制作成輪齒結(jié)構(gòu)；在儀器底座上的豎直安裝平面上，垂直安裝平面并且等高度、相距40厘米，分別安裝水平支撐軸，兩個支撐軸長度相同，在兩支撐軸遠(yuǎn)平面端安裝完全相同的軸承；圓盤通過軸承卡槽，并通過軸承與支撐軸連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多剛體系統(tǒng)角動量守恒演示儀，其特征還在于:利用手工鋸條制作的、長度為30厘米的彈性鋼片，代替公知的彈性繩，安置在兩個圓盤的輪齒之間。
【文檔編號】G09B23/10GK203786972SQ201420059447
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年2月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月9日
【發(fā)明者】李海寶, 李海燕 申請人:李海寶, 李海燕