專利名稱：新型懸掛式角動量守恒演示儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于大學普通物理教學的演示裝置。
背景技術：
角動量守恒規(guī)律指的是系統(tǒng)不受外力矩或所受合力矩為零時，系統(tǒng)轉動的角動量保持恒定。對于由兩部分組成的剛體系統(tǒng)，在靜止狀態(tài)下因內力矩作用而轉動時，則有
=0或=-/3m2 (式中負號表示角速度的方向相反，Z1、/2和％、012分別
表示兩部分的轉動慣量和角速度)。這個規(guī)律是大學普通物理教學中一個重要的演示實驗，目前尚無較為理想的儀器和方法來驗證前述公式，就傳統(tǒng)方法(茹科夫斯基轉椅)和已公布的所有專利產品而言，前者是落地式，且體積大不易移動和操作。后者大多是臺式的或手握 式的，也存在著演示現(xiàn)象較為單調或深奧，直觀性不強或可供觀察的現(xiàn)象不能持久等，且自身沒有動力是上述裝置演示效果不佳的最主要的原因。本發(fā)明是一種輕巧靈便且自帶電池的懸掛裝置，而且有兩種操控方式，可以克服上述各裝置的諸多不足。
發(fā)明內容本發(fā)明目的主要是定性驗證公式=Z1A =-/2%。還可用來演示角動量守恒的條
件，以及用來定性演示轉動慣量跟質量大小及質量相對于轉軸分布的關系。本發(fā)明的技術方案為新型懸掛式角動量守恒演示儀，于鐵架臺橫梁上安吊掛、十字支架、連接件、低壓直流電動機、電池支架、載物倉、電路控制件的順序依次相連，其特征是機械連接為低壓直流電動機的轉軸與懸掛于吊掛下的十字支架相連，外殼與電池支架和載物倉相連；電連接方法I，低壓直流電動機、觸摸式開關盒、電池依次連接，電連接方法2，低壓直流電動機、2路遙控開關接受器、電池依次連接，電連接方法I中觸摸式開關盒與載物倉間使用了軟性泡沫塑料做的支座。當使用電連接方法I控制的裝置演示時，操作者只要用任一只手的中指或食指的指腹豎直向上輕輕的觸摸一下載物倉底的金屬觸摸片，就會看到十字支架連同橡皮塞朝順(或逆)時鐘方向旋轉起來，同時電池支架連同電池槽朝逆(或順)時鐘方向旋轉起來。再觸摸一下金屬片，上述兩部分的旋轉就會停止下來。分別調節(jié)橡皮塞和電池槽在水平鋼絲及水平支架上的位置，就可改變二者的轉動慣量，很
直觀地看出Z1Stl = -Lm2的演示效果。當用電連接方法2控制的裝置演示時，2路遙控開
關的遙控器上有ACBD4個按鍵。按A(或C)鍵電動機正(或反)轉，再按B或D鍵電動機停轉；同理按C (或A)鍵電動機的轉動方向就反過來了，再按B或D鍵則電動機的反轉停止。電池支架和十字支架轉動慣量的調節(jié)與前述方法相同，兩種方法均可直觀地驗證公式
/| 1 = 。如果交錯調節(jié)裝置上兩部分(十字支架叫第I部分，電池支架叫第2部分)的轉動慣量的大小，就可以觀察到下列多種角動量守恒的有趣現(xiàn)象如當A <h >h)時，OJ1 >- 2 (或 ! <-m2),且Z1最大，Z2最小(或A最小，A最大)時，@1最小，- 最大(或A最大，_ 2最小);丨較大，A較小(或4較小，A較大)時，叫較小、_ 2較大(或U1較大，-%較小)。當調節(jié)兩部分的轉動慣量很接近時，即h接近Z2時，％與-％也很接近，且h和h都大(或A和h都小)時，々和- 都小(或4和-％都大)，即使是任意狀態(tài)下也可以觀察到Z1A = -4 的情形，無論是電動機的正轉還是反轉都可以看到相同的現(xiàn)象。

圖I是本發(fā)明裝置的主視圖；圖2是本發(fā)明裝置的俯視圖；圖3是拉線掛環(huán)俯視圖；圖4是觸摸式開關控制的電路圖；圖5是2路遙控開關控制的電路圖；圖6是I路遙控開關控制的電路圖。圖中I—吊掛 2—十字支架 3—橡皮塞 4—拉線掛環(huán) 5—直流電動機 6—電池支架 7—電池槽 8—連接件 9—載物倉 10—電路控制件 11-鐵架名 12-重物 41-上拉線掛環(huán) 42-下拉線掛環(huán) 13-開關 盒 14—金屬觸摸片 15— D C—9 V 16—電動機 17—接受器 18—天線19—DC—3. 7V (接受器用)20—電動機 21— D C-3. 7 V (電動機用)22—1路遙控開關接受器 23—天線 24—DC — 3. 7V (或9 V) 25—電動機 26— DC — 3. 7V(或9 V)具體實施方式
新型懸掛式角動量守恒演示儀，于鐵架臺橫梁上按吊掛(I)、十字支架
(2)、連接件(8)、低壓直流電動機(5)、電池支架(6)、載物倉(9)、電路控制件(觸摸式開關盒或遙控開關接受器)(10)的順序依次相連，其特征是機械連接為低壓直流電動機的轉軸與懸掛于吊掛下的十字支架相連，外殼與電池支架和載物倉相連；電連接方法1，低壓直流電動機、觸摸式開關盒、電池，按圖4電路連接，電連接方法2，低壓直流電動機、2路遙控開關接受器、電池，按圖5電路圖連接。本發(fā)明所涉裝置的吊掛內裝I型號為F6 — 14的微型平面推力球軸承，其下用掛鉤相連的是用2根長30 c m直徑2 m m的不銹鋼絲焊接而成的十字支架，在觸摸式開關控制的裝置中使用的是2個9號橡皮塞(3)。在2路遙控開關控制的裝置中使用的是2個7號橡皮塞。橡皮塞位置的調節(jié)由豎直鋼絲上的上、下各I個拉線掛環(huán)(它是用8m mX 18m m的印刷電路板基板打3個直徑2. 5 m m的小孔和兩條窄槽做成的，其俯視圖見附圖3 )和中間兩個銅質接線柱通過拉線來控制的。方法是上移上面那個銅質接線柱，則上拉線掛環(huán)將線上拉，橡皮塞靠攏轉軸，反之，旋轉時由于離心作用橡皮塞就會遠離轉軸，達到改變十字支架轉動慣量的目的。取下橡皮塞的方法是先將細線從拉線掛環(huán)上的槽口退出，然后將橡皮塞推向某一端，就可取下該端鋼絲上的橡皮塞，抓住橡皮塞往原繞線方向反繞I周，橡皮塞就從鋼絲的拉線掛環(huán)上取下來了，橡皮塞安裝的方法恰恰相反。十字支架與電動機轉軸的連接件，系用長3cm外徑4mm,內徑2mm的銅管,在其距端頭各8 mm相反的兩側面,各用挫挫I個寬2. 5mm深I. 4mm的凹槽,鋼絲和轉軸上也有相同寬度深約0. 4mm的凹槽，用X3系列塑料接線端子中內徑4mm的銅質接線柱，通過上述凹槽可將十字支架與電動機轉軸牢牢地固定在一起。電動機是用高18mm外徑25mm，軸長22mm，軸徑2mm，工作電壓為DC1V 12V的電腦光驅上使用的馬達。該電動機軸縱向的負荷大(經(jīng)測試大于10N)，體積小，轉速穩(wěn)，啟動電流小，轉軸長(便于加工和安裝連接件)。電池支架由2. 8cmX38cm的印刷電路板的基板做成，其中心有穿過電動機軸套和安裝電動機的螺絲小孔，兩端中心線上對稱地各有I條5mmX9. 5cm的能讓電池槽(7)通過槽底穿出的直徑為5mm的螺絲和蝶母使其滑動的窄槽，電池槽內裝有插著電池的軟性泡沫塑料塊。在觸摸式開關控制的裝置中，兩個電池槽中的泡沫塑料塊中插入的都是9V方電池。在2路遙控開關控制的裝置中，兩個電池槽中的泡沫塑料塊中插入的均是3. 7V鋰電池，其產品型號為XC-3. 7V-0. 7Ah,大小為51_X31_X6mm。載物倉是由高90_、直徑55_的固體透明塑料瓶做成的。瓶蓋上有與電池支架上相同的螺絲安裝小孔，這樣，瓶蓋與電池支架及電動機外殼就可用螺絲固聯(lián)于一體。瓶側做有I個寬度為瓶體外表周長三分之一、高為7 c m,且兩側都有可通過插銷實現(xiàn)開合的倉門。倉門上靠瓶頸處對稱地開有0. 7cmX2. 2cm的窗口，作為安裝導線的進出通道。在觸摸式開關控制的裝置中，載物倉中安裝的就是觸摸式開關盒，其型號為XD-613 ON-OFF，大小尺寸為49_X34mmX15mm，工作電壓為DC6 12V，特點是靈敏度高，抗干擾性好，該開關盒與電動機共用I粒9V方電池作為電源。通過導線與開關盒相連的直徑為28_的圓形金屬觸摸片穿出倉底后，用透明不干膠將其粘貼于載物倉底部的正中。當使用2路遙控開關控制的裝置時，載物倉里安裝的是2路遙控開關接受器，大小尺寸為60mmX45mmX25mm ,天線卷成外直徑為9mm的軟彈簧后附著于接受器的外殼上，這樣接受器恰好豎放于載物倉中。接受器與電動機各用I個3. 7V 5V鋰電池。為 方便接線，本發(fā)明所涉裝置各處接線均用特制的按扣式接線端子的導線。制作方法是拆下I粒廢棄9V方電池上按扣式的電極，其上正極為扣芯，負極為扣套。在其背面分別焊接兩根導線，并用防水絕緣電膠將其包好后就做成了I組按扣式接線端子。為改變電流的方向，還可特制I組換向按扣式接線端子。方法是取2個按扣式電極，將I根導線的末端焊接在I個按扣式電極扣芯(或扣套)的背面，相距約I. 2cm的地方，則焊接在另I個按扣式電極扣套(或扣芯)的背面，另一根導線也按相同的方法焊接。再把兩個電極的背面相合用透明膠帶或強力膠使其固連于一起。這樣，兩根導線上的任何I根導線，在I組接線端子上與扣套(或扣芯)相連，而在另I組接線端子上卻與扣芯(或扣套)相連。在觸摸式開關控制的電動機上接上這種換向式接線端子。只要改換接線端子的連接位置就可以達到改變電動機中電流的方向，實現(xiàn)電動機的反轉。安裝電路時，需要特別注意的是開關盒或接受器的電源極性一定要正確安裝。本發(fā)明所涉裝置中，所有接線均采用上述按扣式接線端子進行連接。既方便快捷，又可以防止漏電和短路。所有按扣式接線端子均可隱藏于電池支架下的載物倉中，便于消除視覺污染，使裝置顯得干凈利落，外形美觀，也便于觀察。本發(fā)明所涉裝置的2路遙控開關也可用I路3. 7 V 5V遙控開關或I路9V遙控開關(它們的接受器的外形大小相同，電路圖如附圖6所示)和電動機所接的換向式接線端子配合使用，得到與之相同的演示效果。不過演示過程稍顯麻煩一點。本發(fā)明的優(yōu)點(I)、用微型平面推力球軸承將整個裝置懸掛起來是其獨特之處，摩擦力的影響被減至最小，而且軸對稱式設計和操作保證了兩部分轉動的同軸性和整個裝置的穩(wěn)定性；(2)、體積小(豎直平面內30c mX45 c m)，重量輕(兩種裝置的整體質量分別為450 g和410 g)，積木式結構，簡單明了，可見度高，直觀性強，重復性好，任何一種狀態(tài)均可反復重現(xiàn)。而且小巧靈便，操作方便，安全可靠，易于推廣；(3)、觸摸式開關的金屬觸摸片安裝于載物倉底部的正中，是裝置旋轉的軸心之處，線速度最小。手指向上輕輕觸摸金屬片時，對裝置原有狀態(tài)的擾動是最小的，利用電機所接的換向接線端子也可以實現(xiàn)電機的反轉，因而具有新穎性。尤其是利用2路遙控開關的演示裝置，還可實施遠距離控制(理論距離100米)裝置的正轉和反轉，使演示更具趣味性和觀賞性，能激起學生的學習興趣并留下深刻的印象，得出的結論也更具普遍性；(4)、在觸摸式開關控制的裝置中兩粒對稱放置的9V方電池配I對9號橡皮塞，用2路遙控開關控制的裝置中兩塊對稱放置的鋰電池配I對7號橡皮塞，其轉動快慢的變化易為人眼感知，使演示能夠得到最佳的觀察效果；(5)、 提供給學生觀察的感性材料也較為豐富，還可讓學生參與操作，親身體驗，于加深對所學知識的理解和對創(chuàng)造性思維的啟迪與培養(yǎng)是大有裨益的。
權利要求1.新型懸掛式角動量守恒演示儀，于鐵架臺橫梁上安吊掛、十字支架、連接件、低壓直流電動機、電池支架、載物倉、電路控制件的順序依次相連，其特征是機械連接為低壓直流電動機的轉軸與懸掛于吊掛下的十字支架相連，外殼與電池支架和載物倉相連；電連接方法1，低壓直流電動機、觸摸式開關盒、電池依次連接，電連接方法2，低壓直流電動機、2路遙控開關接受器、電池依次連接。
2.根據(jù)權利要求I中所述新型懸掛式角動量守恒演示儀，其特征是吊掛內安裝有一個型號為F6 — 14的微型平面推力球軸承，十字支架的水平橫梁上對稱地穿有2個相同的橡皮塞，電連接方法I中橡皮塞是2個9號的，電連接方法2中橡皮塞是2個7號的，十字支架豎直鋼絲上安裝有2個銅質接線柱和2個拉線掛環(huán)，且2個銅質接線柱位于2個拉線掛環(huán)之間，與十字支架和低壓直流電動機轉軸相連的銅質連接件。
3.根據(jù)權利要求I中所述新型懸掛式角動量守恒演示儀，其特征是電池支架由2.8cmX38cm的印刷電路板的基板做成，其中心有穿過電機軸套和安裝電機的螺絲小孔，兩端中心線上對稱地各有I條5mmX9. 5cm的能讓電池槽通過槽底穿出的螺絲和蝶母使其滑動的窄槽，電池槽內裝有插著電池的軟性泡沫塑料塊。
4.根據(jù)權利要求I中所述新型懸掛式角動量守恒演示儀，其特征是載物倉是由高90mm、直徑55mm的固體透明塑料瓶做成的，瓶蓋上有與電池支架上相同的螺絲安裝小孔，并通過螺絲將其安裝固定于低壓直流電機和電池支架之間，瓶側做有I個寬度為瓶體外表周長三分之一、高為7 c m，且兩側都有可通過插銷實現(xiàn)開合的倉門，倉門上靠瓶頸處對稱地開有O. 7cmX2. 2cm的窗口，瓶底中央加工了 I個3m mX 30mm的窄槽。
5.根據(jù)權利要求I中所述新型懸掛式角動量守恒演示儀，其特征是電連接方法I中觸摸式開關盒與載物倉間使用了軟性泡沫塑料做的支座，用不干膠將金屬觸摸片粘貼于載物倉的底部正中，開關盒與低壓電動機共用I粒9 V方電池；電連接方法2中，2路遙控開關接受器恰好豎放于載物倉中，接受器與低壓電動機各用I個3. 7V 5V鋰電池。
6.根據(jù)權利要求I中所述新型懸掛式角動量守恒演示儀，其特征是電連接方法I和電連接方法2中所有的電路連接，均采用按扣式接線端子進行連接，電連接方法I中低壓直流電動機的電源線接的是I組換向式按扣接線端子。
專利摘要本實用新型是一種新型懸掛式角動量守恒演示儀。其特征是在軸縱向負荷大的低壓直流電動機(5)的轉子和“定子”上分別安裝1十字支架(2)和1電池支架(6)。利用十字支架上對稱安裝的橡皮塞(3)以及電池支架上對稱安裝的電池槽(7)的位置的對稱改變來改變兩個支架的轉動慣量。并把整個裝置懸掛于用微型平面推力球軸承做成的吊掛之下。當用觸摸式開關或2路遙控開關使電動機轉動時，會看到兩個支架各朝相反方向轉動，且Ｉ大的ω小些，Ｉ小的ω大些。如果交錯調節(jié)兩支架轉動慣量的大小，并且利用2路遙控開關觀察電動機的正轉和反轉。就可觀察到許多角動量守恒的有趣現(xiàn)象。能定性驗證公式。而且裝置新穎，輕巧靈便，適宜于隨堂演示。
文檔編號G09B23/10GK202584499SQ20122014716
公開日2012年12月5日 申請日期2012年4月10日 優(yōu)先權日2012年4月10日
發(fā)明者王佑坤 申請人:王佑坤