一种转动惯量及角动量定理的演示装置的制造方法
【专利摘要】一种转动惯量及角动量定理的演示装置，包括支架；设置于所述支架上的中心轴，所述中心轴与所述支架组合呈门形；设置于所述中心轴上的至少一个旋转体，所述旋转体可绕所述中心轴的轴线旋转；绕制于所述旋转体上的牵引绳；设置于所述牵引绳自由端的砝码；竖直设置于支架上并位于所述中心轴一侧的标尺；设置于所述支架上的传感器组件，所述传感器组件包括两对光电发射器和光电接收器，其中，两个光电发射器上下间隔设置于所述中心轴一侧的支架上，两个光电接收器上下间隔设置于所述中心轴另一侧的支架上，所述光电发射器与所述光电接收器的位置对应；与传感器组件电连接的显示器，显示器内设置有计时模块。本实用新型结构简单，便携，便于课堂演示。
【专利说明】
一种转动惯量及角动量定理的演示装置
技术领域
[0001]本实用新型属于教学实验仪器技术领域，尤其涉及一种用于演示转动惯量及角动量定理的实验仪器。
【背景技术】
[0002]“转动惯量”是大学物理课程刚体动力学部分中的重点概念，由于该概念比较抽象学生往往存在着理解上的困难，如果可以进行课堂演示将有助于学生的学习。
[0003]在现有的实验设备中，转动惯量的测量往往采用扭摆法，该方法实验条件苛刻，要求偏转角很小、悬线长度相等、张力相等等条件，具有显示不明显，装置复杂不易在课堂进行演示，仪器成本高等缺点。目前常见的转动惯量演示装置是采用两个质量和尺寸相同、质量分布不同的圆柱体，将二者从一个斜面的同一高度同时释放，通过二者滚下来的次序不同讨论对转动惯量有影响的物理量，该实验存在着只能定性观察没有定量表述，且并不严格吻合刚体绕定轴旋转的物理模型等缺点。
【发明内容】
[0004]针对以上不足，本实用新型的目的是提供一种直观地演示总质量、质量分布等物理量对转动惯量的影响的装置。
[0005]为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案:
[0006]—种转动惯量及角动量定理的演示装置，包括:支架；设置于所述支架上的中心轴，所述中心轴与所述支架组合呈门形;设置于所述中心轴上的至少一个旋转体，所述旋转体可绕所述中心轴的轴线旋转;绕制于所述旋转体上的牵引绳;设置于所述牵引绳自由端的砝码;竖直设置于支架上并位于所述中心轴一侧的标尺;设置于所述支架上的传感器组件，所述传感器组件包括两对光电发射器和光电接收器，其中，两个光电发射器上下间隔设置于所述中心轴一侧的支架上，两个光电接收器上下间隔设置于所述中心轴另一侧的支架上，所述光电发射器与所述光电接收器的位置对应;与所述传感器组件电连接的显示器，所述显示器内设置有计时模块。在上述技术方案的基础上，所述旋转体的圆周面上加工有凹槽，所述牵引绳绕制于凹槽内。
[0007]在上述技术方案的基础上，所述牵引绳绕制于所述旋转体端部。
[0008]在上述技术方案的基础上，所述上下两个光电发射器之间间隔的距离为标尺的长度。
[0009]在上述技术方案的基础上，所述旋转体内设置有角速度传感器，所述角速度传感器与所述显示器电连接。
[0010]由以上技术方案可知，本实用新型的演示装置可以实现多种实验现象的演示，包括转动惯量的影响因素观察、转动惯量的测量、角动量定理及角动量守恒的演示;计时模块的引入，避免了观察的主观性，为计算及后续理论奠定了定量准确的基础；同时本演示装置还具有测量功能，可以实现时间的定量测量，避免了主观误差，还可以为转动惯量的求解、角动量定量及角动量守恒的数值验证提供计算数据;不仅适用于规则形状刚体的学习，也可以用于测量非规则形状刚体对定轴的转动惯量，解决了现有刚体转动惯量及角动量演示仪器结构复杂、操作繁琐、成本高的问题，具有结构简单、便携，实验过程直观，便于课堂演示的特点。
【附图说明】
[0011]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0012]图1为本实用新型实施例1的结构示意图；
[0013]图2为本实用新型实施例2的结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本实用新型进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
[0015]实施例1
[0016]如图1所示，本实用新型的演示装置包括支架1、中心轴2、旋转体3、牵引绳4、砝码
5、标尺6、传感器组件7及显示器8。传感器组件7包括光电发射器7-2和光电接收器7-1，本实施例中共设置了两对光电发射器和光电接收器，传感器组件7与显示器8电连接，显示器8内具有计时模块，传感器组件可触发计时模块开始或停止计时，并在显示器8上进行显示。
[0017]中心轴2设置于支架I上，中心轴2和支架I组合呈门形。旋转体3设置于中心轴2上，并可在中心轴2上绕轴线旋转，本实施例在中心轴2上设置了两个外形和质量相同、质量分布不同的旋转体。在旋转体3的圆周面上加工有凹槽(未图示)，将牵引绳4绕制于凹槽内，牵引绳4的自由端连接砝码5。在中心轴2某一侧的支架I上设置有竖直放置的标尺6。
[0018]传感器组件7设置于中心轴2两侧的支架I上，上下间隔布置的两个光电接收器7-1位于同一侧的支架I上，上下间隔布置的两个光电发射器7-2位于另一侧的支架I上，光电发射器7-2的位置和光电接收器7-1的位置相对应，两个光电发射器之间间隔的距离等于标尺6的长度，由此，当砝码5下落时经过第一对光电传感器时，该光电传感器检测到砝码，启动显示器中的计时模块开始计时，当砝码5下落经过第二对光电传感器时，该光电传感器检测到砝码后，使计时模块停止计时，即可记录得到砝码下落所用的时间，并在显示器上进行显不O
[0019]下面对本演示装置的演示过程进行详细说明如下:
[0020]将砝码5与牵引绳4相连，将牵引绳4绕在旋转体3的凹槽中，此时砝码5位于设置在上的一对光电传感器的上方；
[0021]通过释放砝码5给两个旋转体3施加相同的初速度，砝码5在下落过程中带动旋转体3旋转；
[0022]当砝码5通过设置在上的一对光电传感器时，显示器8中的计时模块启动计时，并问步显不时间；
[0023]当砝码5先后下落通过设置在下的一对光电传感器时，计时模块停止及时，并显示出两个砝码经过标尺6所示距离分别所用的时间。
[0024]通过更换旋转体，该演示装置可以演示出形状和质量分布相同、总质量不同的旋转体在相同力矩下旋转体旋转的快慢的情况，或者形状和质量相同、质量分布不同的旋转体在相同力矩下旋转体旋转的快慢的情况。通过砝码的重量及旋转体的半径可以计算得到力矩，通过计时模块计量的时间可以进一步运算得到力矩的冲量及旋转体的角动量，进一步的，还可计算得到末状态旋转体的角速度，进而得到旋转体的转动惯量。
[0025]实施例2
[0026]如图2所示，本实施例与实施例1不同的地方在于:旋转体3为不规则的刚体，在旋转体内部还设有角速度传感器，显示器8内设有角速度传感器的接收器，当旋转体3旋转时，显示器8还可以接收到角速度传感器测量到的速度，并进行显示。
[0027]在本装置中，不同的实验样品对应不同的旋转角速度，可以通过传感器测量后直接将相关物理过程的测量结果，例如转动时间和角速度等，显示在显示屏上，便于学生观察。
[0028]以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本实用新型的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围之中。例如，旋转体的结构、设置的数量、砝码的重量等均可根据实验需要进行改变;牵引绳可以绕制于旋转体圆周面上，也可以绕制于旋转体端部的圆柱体上;诸如此等改变以及等效变换均应包含在权利要求所述的范围之内。
【主权项】
1.一种转动惯量及角动量定理的演示装置，其特征在于，包括: 支架； 设置于所述支架上的中心轴，所述中心轴与所述支架组合呈门形； 设置于所述中心轴上的至少一个旋转体，所述旋转体可绕所述中心轴的轴线旋转； 绕制于所述旋转体上的牵引绳； 设置于所述牵引绳自由端的砝码； 竖直设置于支架上并位于所述中心轴一侧的标尺； 设置于所述支架上的传感器组件，所述传感器组件包括两对光电发射器和光电接收器，其中，两个光电发射器上下间隔设置于所述中心轴一侧的支架上，两个光电接收器上下间隔设置于所述中心轴另一侧的支架上，所述光电发射器与所述光电接收器的位置对应；与所述传感器组件电连接的显示器，所述显示器内设置有计时模块。2.如权利要求1所述的转动惯量及角动量定理的演示装置，其特征在于:所述旋转体的圆周面上加工有凹槽，所述牵引绳绕制于凹槽内。3.如权利要求1所述的转动惯量及角动量定理的演示装置，其特征在于:所述牵引绳绕制于所述旋转体端部。4.如权利要求1所述的转动惯量及角动量定理的演示装置，其特征在于:所述上下两个光电发射器之间间隔的距离为标尺的长度。5.如权利要求1所述的转动惯量及角动量定理的演示装置，其特征在于:所述旋转体内设置有角速度传感器，所述角速度传感器与所述显示器电连接。
【文档编号】G09B23/10GK205541570SQ201521077543
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年12月22日
【发明人】赵文娟, 韩平, 韩一平, 马红玉, 徐强, 崔志伟, 汪加洁
【申请人】西安电子科技大学