专利名称：新型悬挂式角动量守恒演示仪的制作方法
技术领域：
本发明属于大学普通物理教学的演示装置。
背景技术：
角动量守恒规律指的是系统不受外力矩或所受合力矩为零时，系统转动的角动量保持恒定。对于由两部分组成的刚体系统，在静止状态下因内力矩作用而转动时，则有
=0或=-/3m2 (式中负号表示角速度的方向相反，Z1、/2和％、012分别
表示两部分的转动惯量和角速度)。这个规律是大学普通物理教学中一个重要的演示实验，目前尚无较为理想的仪器和方法来验证前述公式，就传统方法(茹科夫斯基转椅)和已公布的所有专利产品而言，前者是落地式，且体积大不易移动和操作。后者大多是台式的或手握 式的，也存在着演示现象较为单调或深奥，直观性不强或可供观察的现象不能持久等，且自身没有动力是上述装置演示效果不佳的最主要的原因。本发明是一种轻巧灵便且自带电池的悬挂装置，而且有两种操控方式，可以克服上述各装置的诸多不足。
发明内容本发明目的主要是定性验证公式=Z1A =-/2%。还可用来演示角动量守恒的条
件，以及用来定性演示转动惯量跟质量大小及质量相对于转轴分布的关系。本发明的技术方案为新型悬挂式角动量守恒演示仪，于铁架台横梁上安吊挂、十字支架、连接件、低压直流电动机、电池支架、载物仓、电路控制件的顺序依次相连，其特征是机械连接为低压直流电动机的转轴与悬挂于吊挂下的十字支架相连，外壳与电池支架和载物仓相连；电连接方法I，低压直流电动机、触摸式开关盒、电池依次连接，电连接方法2，低压直流电动机、2路遥控开关接受器、电池依次连接，电连接方法I中触摸式开关盒与载物仓间使用了软性泡沫塑料做的支座。当使用电连接方法I控制的装置演示时，操作者只要用任一只手的中指或食指的指腹竖直向上轻轻的触摸一下载物仓底的金属触摸片，就会看到十字支架连同橡皮塞朝顺(或逆)时钟方向旋转起来，同时电池支架连同电池槽朝逆(或顺)时钟方向旋转起来。再触摸一下金属片，上述两部分的旋转就会停止下来。分别调节橡皮塞和电池槽在水平钢丝及水平支架上的位置，就可改变二者的转动惯量，很
直观地看出Z1Stl = -Lm2的演示效果。当用电连接方法2控制的装置演示时，2路遥控开
关的遥控器上有ACBD4个按键。按A(或C)键电动机正(或反)转，再按B或D键电动机停转；同理按C (或A)键电动机的转动方向就反过来了，再按B或D键则电动机的反转停止。电池支架和十字支架转动惯量的调节与前述方法相同，两种方法均可直观地验证公式
/| 1 = 。如果交错调节装置上两部分(十字支架叫第I部分，电池支架叫第2部分)的转动惯量的大小，就可以观察到下列多种角动量守恒的有趣现象如当A <h >h)时，OJ1 >- 2 (或 ! <-m2),且Z1最大，Z2最小(或A最小，A最大)时，@1最小，- 最大(或A最大，_ 2最小);丨较大，A较小(或4较小，A较大)时，叫较小、_ 2较大(或U1较大，-%较小)。当调节两部分的转动惯量很接近时，即h接近Z2时，％与-％也很接近，且h和h都大(或A和h都小)时，々和- 都小(或4和-％都大)，即使是任意状态下也可以观察到Z1A = -4 的情形，无论是电动机的正转还是反转都可以看到相同的现象。
图I是本发明装置的主视图；图2是本发明装置的俯视图；图3是拉线挂环俯视图；图4是触摸式开关控制的电路图；图5是2路遥控开关控制的电路图；图6是I路遥控开关控制的电路图。图中I—吊挂 2—十字支架 3—橡皮塞 4—拉线挂环 5—直流电动机 6—电池支架 7—电池槽 8—连接件 9—载物仓 10—电路控制件 11-铁架名 12-重物 41-上拉线挂环 42-下拉线挂环 13-开关 盒 14—金属触摸片 15— D C—9 V 16—电动机 17—接受器 18—天线19—DC—3. 7V (接受器用)20—电动机 21— D C-3. 7 V (电动机用)22—1路遥控开关接受器 23—天线 24—DC — 3. 7V (或9 V) 25—电动机 26— DC — 3. 7V(或9 V)具体实施方式
新型悬挂式角动量守恒演示仪，于铁架台横梁上按吊挂(I)、十字支架
(2)、连接件(8)、低压直流电动机(5)、电池支架(6)、载物仓(9)、电路控制件(触摸式开关盒或遥控开关接受器)(10)的顺序依次相连，其特征是机械连接为低压直流电动机的转轴与悬挂于吊挂下的十字支架相连，外壳与电池支架和载物仓相连；电连接方法1，低压直流电动机、触摸式开关盒、电池，按图4电路连接，电连接方法2，低压直流电动机、2路遥控开关接受器、电池，按图5电路图连接。本发明所涉装置的吊挂内装I型号为F6 — 14的微型平面推力球轴承，其下用挂钩相连的是用2根长30 c m直径2 m m的不锈钢丝焊接而成的十字支架，在触摸式开关控制的装置中使用的是2个9号橡皮塞(3)。在2路遥控开关控制的装置中使用的是2个7号橡皮塞。橡皮塞位置的调节由竖直钢丝上的上、下各I个拉线挂环(它是用8m mX 18m m的印刷电路板基板打3个直径2. 5 m m的小孔和两条窄槽做成的，其俯视图见附图3 )和中间两个铜质接线柱通过拉线来控制的。方法是上移上面那个铜质接线柱，则上拉线挂环将线上拉，橡皮塞靠拢转轴，反之，旋转时由于离心作用橡皮塞就会远离转轴，达到改变十字支架转动惯量的目的。取下橡皮塞的方法是先将细线从拉线挂环上的槽口退出，然后将橡皮塞推向某一端，就可取下该端钢丝上的橡皮塞，抓住橡皮塞往原绕线方向反绕I周，橡皮塞就从钢丝的拉线挂环上取下来了，橡皮塞安装的方法恰恰相反。十字支架与电动机转轴的连接件，系用长3cm外径4mm,内径2mm的铜管,在其距端头各8 mm相反的两侧面,各用挫挫I个宽2. 5mm深I. 4mm的凹槽,钢丝和转轴上也有相同宽度深约0. 4mm的凹槽，用X3系列塑料接线端子中内径4mm的铜质接线柱，通过上述凹槽可将十字支架与电动机转轴牢牢地固定在一起。电动机是用高18mm外径25mm，轴长22mm，轴径2mm，工作电压为DC1V 12V的电脑光驱上使用的马达。该电动机轴纵向的负荷大(经测试大于10N)，体积小，转速稳，启动电流小，转轴长(便于加工和安装连接件)。电池支架由2. 8cmX38cm的印刷电路板的基板做成，其中心有穿过电动机轴套和安装电动机的螺丝小孔，两端中心线上对称地各有I条5mmX9. 5cm的能让电池槽(7)通过槽底穿出的直径为5mm的螺丝和蝶母使其滑动的窄槽，电池槽内装有插着电池的软性泡沫塑料块。在触摸式开关控制的装置中，两个电池槽中的泡沫塑料块中插入的都是9V方电池。在2路遥控开关控制的装置中，两个电池槽中的泡沫塑料块中插入的均是3. 7V锂电池，其产品型号为XC-3. 7V-0. 7Ah,大小为51_X31_X6mm。载物仓是由高90_、直径55_的固体透明塑料瓶做成的。瓶盖上有与电池支架上相同的螺丝安装小孔，这样，瓶盖与电池支架及电动机外壳就可用螺丝固联于一体。瓶侧做有I个宽度为瓶体外表周长三分之一、高为7 c m,且两侧都有可通过插销实现开合的仓门。仓门上靠瓶颈处对称地开有0. 7cmX2. 2cm的窗口，作为安装导线的进出通道。在触摸式开关控制的装置中，载物仓中安装的就是触摸式开关盒，其型号为XD-613 ON-OFF，大小尺寸为49_X34mmX15mm，工作电压为DC6 12V，特点是灵敏度高，抗干扰性好，该开关盒与电动机共用I粒9V方电池作为电源。通过导线与开关盒相连的直径为28_的圆形金属触摸片穿出仓底后，用透明不干胶将其粘贴于载物仓底部的正中。当使用2路遥控开关控制的装置时，载物仓里安装的是2路遥控开关接受器，大小尺寸为60mmX45mmX25mm ,天线卷成外直径为9mm的软弹簧后附着于接受器的外壳上，这样接受器恰好竖放于载物仓中。接受器与电动机各用I个3. 7V 5V锂电池。为 方便接线，本发明所涉装置各处接线均用特制的按扣式接线端子的导线。制作方法是拆下I粒废弃9V方电池上按扣式的电极，其上正极为扣芯，负极为扣套。在其背面分别焊接两根导线，并用防水绝缘电胶将其包好后就做成了I组按扣式接线端子。为改变电流的方向，还可特制I组换向按扣式接线端子。方法是取2个按扣式电极，将I根导线的末端焊接在I个按扣式电极扣芯(或扣套)的背面，相距约I. 2cm的地方，则焊接在另I个按扣式电极扣套(或扣芯)的背面，另一根导线也按相同的方法焊接。再把两个电极的背面相合用透明胶带或强力胶使其固连于一起。这样，两根导线上的任何I根导线，在I组接线端子上与扣套(或扣芯)相连，而在另I组接线端子上却与扣芯(或扣套)相连。在触摸式开关控制的电动机上接上这种换向式接线端子。只要改换接线端子的连接位置就可以达到改变电动机中电流的方向，实现电动机的反转。安装电路时，需要特别注意的是开关盒或接受器的电源极性一定要正确安装。本发明所涉装置中，所有接线均采用上述按扣式接线端子进行连接。既方便快捷，又可以防止漏电和短路。所有按扣式接线端子均可隐藏于电池支架下的载物仓中，便于消除视觉污染，使装置显得干净利落，外形美观，也便于观察。本发明所涉装置的2路遥控开关也可用I路3. 7 V 5V遥控开关或I路9V遥控开关(它们的接受器的外形大小相同，电路图如附图6所示)和电动机所接的换向式接线端子配合使用，得到与之相同的演示效果。不过演示过程稍显麻烦一点。本发明的优点(I)、用微型平面推力球轴承将整个装置悬挂起来是其独特之处，摩擦力的影响被减至最小，而且轴对称式设计和操作保证了两部分转动的同轴性和整个装置的稳定性；(2)、体积小(竖直平面内30c mX45 c m)，重量轻(两种装置的整体质量分别为450 g和410 g)，积木式结构，简单明了，可见度高，直观性强，重复性好，任何一种状态均可反复重现。而且小巧灵便，操作方便，安全可靠，易于推广；(3)、触摸式开关的金属触摸片安装于载物仓底部的正中，是装置旋转的轴心之处，线速度最小。手指向上轻轻触摸金属片时，对装置原有状态的扰动是最小的，利用电机所接的换向接线端子也可以实现电机的反转，因而具有新颖性。尤其是利用2路遥控开关的演示装置，还可实施远距离控制(理论距离100米)装置的正转和反转，使演示更具趣味性和观赏性，能激起学生的学习兴趣并留下深刻的印象，得出的结论也更具普遍性；(4)、在触摸式开关控制的装置中两粒对称放置的9V方电池配I对9号橡皮塞，用2路遥控开关控制的装置中两块对称放置的锂电池配I对7号橡皮塞，其转动快慢的变化易为人眼感知，使演示能够得到最佳的观察效果；(5)、 提供给学生观察的感性材料也较为丰富，还可让学生参与操作，亲身体验，于加深对所学知识的理解和对创造性思维的启迪与培养是大有裨益的。
权利要求1.新型悬挂式角动量守恒演示仪，于铁架台横梁上安吊挂、十字支架、连接件、低压直流电动机、电池支架、载物仓、电路控制件的顺序依次相连，其特征是机械连接为低压直流电动机的转轴与悬挂于吊挂下的十字支架相连，外壳与电池支架和载物仓相连；电连接方法1，低压直流电动机、触摸式开关盒、电池依次连接，电连接方法2，低压直流电动机、2路遥控开关接受器、电池依次连接。
2.根据权利要求I中所述新型悬挂式角动量守恒演示仪，其特征是吊挂内安装有一个型号为F6 — 14的微型平面推力球轴承，十字支架的水平横梁上对称地穿有2个相同的橡皮塞，电连接方法I中橡皮塞是2个9号的，电连接方法2中橡皮塞是2个7号的，十字支架竖直钢丝上安装有2个铜质接线柱和2个拉线挂环，且2个铜质接线柱位于2个拉线挂环之间，与十字支架和低压直流电动机转轴相连的铜质连接件。
3.根据权利要求I中所述新型悬挂式角动量守恒演示仪，其特征是电池支架由2.8cmX38cm的印刷电路板的基板做成，其中心有穿过电机轴套和安装电机的螺丝小孔，两端中心线上对称地各有I条5mmX9. 5cm的能让电池槽通过槽底穿出的螺丝和蝶母使其滑动的窄槽，电池槽内装有插着电池的软性泡沫塑料块。
4.根据权利要求I中所述新型悬挂式角动量守恒演示仪，其特征是载物仓是由高90mm、直径55mm的固体透明塑料瓶做成的，瓶盖上有与电池支架上相同的螺丝安装小孔，并通过螺丝将其安装固定于低压直流电机和电池支架之间，瓶侧做有I个宽度为瓶体外表周长三分之一、高为7 c m，且两侧都有可通过插销实现开合的仓门，仓门上靠瓶颈处对称地开有O. 7cmX2. 2cm的窗口，瓶底中央加工了 I个3m mX 30mm的窄槽。
5.根据权利要求I中所述新型悬挂式角动量守恒演示仪，其特征是电连接方法I中触摸式开关盒与载物仓间使用了软性泡沫塑料做的支座，用不干胶将金属触摸片粘贴于载物仓的底部正中，开关盒与低压电动机共用I粒9 V方电池；电连接方法2中，2路遥控开关接受器恰好竖放于载物仓中，接受器与低压电动机各用I个3. 7V 5V锂电池。
6.根据权利要求I中所述新型悬挂式角动量守恒演示仪，其特征是电连接方法I和电连接方法2中所有的电路连接，均采用按扣式接线端子进行连接，电连接方法I中低压直流电动机的电源线接的是I组换向式按扣接线端子。
专利摘要本实用新型是一种新型悬挂式角动量守恒演示仪。其特征是在轴纵向负荷大的低压直流电动机(5)的转子和“定子”上分别安装1十字支架(2)和1电池支架(6)。利用十字支架上对称安装的橡皮塞(3)以及电池支架上对称安装的电池槽(7)的位置的对称改变来改变两个支架的转动惯量。并把整个装置悬挂于用微型平面推力球轴承做成的吊挂之下。当用触摸式开关或2路遥控开关使电动机转动时，会看到两个支架各朝相反方向转动，且Ｉ大的ω小些，Ｉ小的ω大些。如果交错调节两支架转动惯量的大小，并且利用2路遥控开关观察电动机的正转和反转。就可观察到许多角动量守恒的有趣现象。能定性验证公式。而且装置新颖，轻巧灵便，适宜于随堂演示。
文档编号G09B23/10GK202584499SQ20122014716
公开日2012年12月5日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者王佑坤 申请人:王佑坤