角动量守恒定律实验仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于物理实验仪器领域，设及一种力学实验装置，具体为一种用于研究刚 体碰撞的角动量守恒定律实验仪。
【背景技术】
[0002] 刚体的碰撞是刚体力学中常见的问题，例如，椿与球的碰撞等。刚体在碰撞过程 中，遵循角动量守恒定律，如果是弹性碰撞，还遵循机械能守恒定律。目前，缺乏一种实现刚 体的碰撞并验证角动量守恒定律的实验设备。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的，是设计一种角动量守恒定律实验仪，该仪器能实现刚体的碰撞并 验证角动量守恒定律。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用W下技术方案；包括底座、立板、转轴、直杆、 摆球；所述立板为长方形，立板垂直固定在底座上；转轴垂直固定在立板中上部；直杆为均 质等截面细杆，直杆一端固定在转轴上可绕转轴在竖直平面内自由转动；摆球通过摆线与 转轴联结，摆线长度可调；立板上设有用于确定摆球与直杆碰撞前后高度位置的等间隔分 布的局度标线。
[0005] 本发明还包括摆球的摆动控制单元，摆动控制单元包括导轨、伸缩杆、电磁铁、电 磁铁控制器，导轨固定在立板的右上部，伸缩杆的一端活动联结在导轨上可沿导轨来回移 动，伸缩杆的另一端联结电磁铁用于吸附摆球，电磁铁控制器与电磁铁电相连用于控制摆 球的吸附与释放。
[0006] 优选地，所述摆线的长度等于直杆长度，所述直杆的质量为摆球质量的2. 45倍。
[0007] 本发明由于采用上述设计，能产生W下有益效果；调节摆线长度可控制摆球与直 杆的碰撞点，由立板上的高度标线可确定摆球初始高度W及碰撞后摆球与直杆的上升高 度。本发明用直观可读的物理量间接量度角动量大小，并由此验证角动量守恒定律，大大简 化了验证难度。本发明可配合刚体力学的教学，通过刚体的碰撞，直观、方便地验证角动量 守恒定律，有利于加深学生对刚体碰撞过程及规律的理解。
【附图说明】
[000引下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0009] 图1是本发明的构成示意图。
[0010] 图2是本发明的测量原理图。
[0011] 图中；1.底座，2.立板，3.转轴，4.直杆，5.摆球，6.摆动控制单元，11.调平螺丝， 21.高度标线，51.摆线，61.导轨，62.伸缩杆，63.电磁铁，64.电磁铁控制器。
【具体实施方式】
[001引如图1所示，本发明包括底座1、立板2、转轴3、直杆4、摆球5。立板2为长方形， 立板2垂直固定在底座1上。转轴3垂直固定在立板2中上部。直杆4为均质等截面细杆， 直杆4 一端固定在转轴3上可绕转轴3在竖直平面内自由转动。摆球5通过摆线51与转 轴3联结，摆线51的长度可调。立板2上设有用于确定摆球5与直杆4碰撞前后高度位置 的等间隔分布的高度标线21。底座1下方设有用于调节底座1水平的调平螺丝11。
[0013] 本发明还包括摆球5的摆动控制单元6,摆动控制单元6包括导轨61、伸缩杆62、 电磁铁63、电磁铁控制器64,导轨61固定在立板2的右上部，伸缩杆62的一端活动联结在 导轨61上可沿导轨61来回移动，伸缩杆62的另一端联结电磁铁63用于吸附摆球5。电磁 铁控制器64与电磁铁63电相连用于控制摆球5的吸附与释放；通电时电磁铁63产生磁性 将摆球5吸附，断电时摆球5释放向下摆动。使用该摆动控制单元6时摆球5为铁质球。
[0014] 优选地，所述摆线51的长度等于直杆4的长度，直杆4的质量为摆球5质量的2. 45 倍。
[0015] 测量及验证原理参见图2,该实施例中，摆球5质量为mi，直杆4质量为m2,摆线51 与直杆4的长度均为以摆球5下摆时的高度为h。，与直杆4发生弹性碰撞后摆球5回弹的 高度为hi,直杆4末端上升的高度为tv
[0016] 由角动量守恒定律，有：
[0017] niiViL = J W -niiVgL, SP
[001 引 Jo = miL(V2-Vi) (1)
[0019] 式中vi和V 2分别是摆球5与直杆4碰撞前后的速度大小，J为直杆4绕转轴3的 转动惯量。
[0020] 由机械能守恒定律，有：
[0021] 巧=<^2如,' (2)
[0022] Vj =7^ U)
[0023] 由 ^ Jw:=去"巧片2，/ =去口?2得；
[0024] J(〇='^^^2gh-, (4)
[002引将（2)、（3)、（4)式代入（1)式，得：
[0026] 1":斬=不m、(爪-取、 (>;
[0027] 优选地，当W; = ^/^W| = 2.45W|，即直杆4的质量为摆球5质量的2. 45倍时，妨式 可简化为：
[002引 捉二和-而 (6)
[0029] 实验时，通过高度标线21读取图2中h。、hi、h2的值，即可由做式验证角动量守 恒定律。
[0030] 当摆线51的长度小于直杆4的长度时，同样可根据角动量守恒定律得到相应理论 结论，并用本仪器进行验证，在此不作进一步讨论。
【主权项】
1. 一种角动量守恒定律实验仪，其特征在于：包括底座（1)、立板（2)、转轴（3)、直杆 (4)、摆球巧）；所述立板似为长方形，立板似垂直固定在底座（1)上；转轴做垂直固 定在立板（2)中上部；直杆（4)为均质等截面细杆，直杆（4) 一端固定在转轴（3)上可绕转 轴做在竖直平面内自由转动；摆球妨通过摆线巧1)与转轴做联结，摆线巧1)长度可 调；立板（2)上设有用于确定摆球（5)与直杆（4)碰撞前后高度位置的等间隔分布的高度 标线（21)。
2. 根据权利要求1所述的角动量守恒定律实验仪，其特征在于；还包括摆球巧）的摆 动控制单元化），摆动控制单元（6)包括导轨化1)、伸缩杆化2)、电磁铁化3)、电磁铁控制 器化4)，导轨化1)固定在立板的右上部，伸缩杆化2)的一端活动联结在导轨化1)上可沿 导轨化1)来回移动，伸缩杆化2)的另一端联结电磁铁化3)用于吸附摆球巧），电磁铁控制 器化4)与电磁铁化3)电相连用于控制摆球（5)的吸附与释放。
3. 根据权利要求1所述的角动量守恒定律实验仪，其特征在于：所述摆线巧1)的长度 等于直杆（4)的长度，所述直杆（4)的质量为摆球（5)质量的2. 45倍。
【专利摘要】本发明公开了一种角动量守恒定律实验仪，包括底座、立板、转轴、直杆、摆球，立板为长方形，立板垂直固定在底座上，转轴垂直固定在立板中上部；直杆为均质等截面细杆，直杆一端固定在转轴上可绕转轴在竖直平面内自由转动，摆球通过摆线与转轴联结，摆线长度可调，立板上设有用于确定摆球与直杆碰撞前后高度位置的高度标线。本发明可配合刚体力学的教学，直观、方便地验证角动量守恒定律，有利于加深学生对刚体碰撞过程及规律的理解。
【IPC分类】G09B23-10
【公开号】CN104537933
【申请号】CN201510017473
【发明人】陈健, 朱纯, 周锡生
【申请人】江南大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月13日