本發(fā)明涉及的是一種物理學(xué)探究儀器，特別是一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量探究儀。

背景技術(shù)：

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，在物理學(xué)的歷史中每個(gè)概念的建立、每個(gè)定律的發(fā)現(xiàn)，都有其堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性的量度，在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)中的角色相當(dāng)于線性動(dòng)力學(xué)中的質(zhì)量，可形式地理解為一個(gè)物體對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性，用于建立角動(dòng)量、角速度、力矩和角加速度等數(shù)個(gè)量之間的關(guān)系。目前在大學(xué)的物理教學(xué)中與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相關(guān)的儀器主要通過三線擺、扭擺等測(cè)試物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小的實(shí)驗(yàn)儀器來加強(qiáng)學(xué)生對(duì)此概念的認(rèn)識(shí)，但都是直接告訴學(xué)生這個(gè)物理量的公式，沒有一個(gè)引導(dǎo)探究的過程。而與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相關(guān)的茹科夫斯基轉(zhuǎn)椅等演示類儀器，又沒有對(duì)演示出的現(xiàn)象做進(jìn)一步的探究。此外，這些演示類儀器大多針對(duì)角動(dòng)量守恒定律來演示，在演示過程中需要人為改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小，演示過程不夠連貫、現(xiàn)象也比較單調(diào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的是通過儀器演示過程中的現(xiàn)象激發(fā)觀察者的興趣，進(jìn)而通過親自操作儀器來探究出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的表達(dá)式j(luò)=mr²。此外，儀器的演示過程中還能體現(xiàn)出視覺暫留、簡諧運(yùn)動(dòng)等物理現(xiàn)象。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括儀器本體、擺桿定位裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。所述儀器本體包括上軸系、支撐、擺桿、砝碼、下軸系和底座；所述擺桿定位裝置可插入上軸系兩外連塊之間用于定量改變擺桿角度；所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位于底座內(nèi)，傳動(dòng)軸可水平移動(dòng)，外端用聯(lián)軸器連接手輪或減速電機(jī)分別適用于演示和探究階段；所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括光電門和智能計(jì)數(shù)器等可測(cè)量出儀器轉(zhuǎn)動(dòng)盤的瞬時(shí)角速度和角加速度。還包括套在上轉(zhuǎn)動(dòng)盤上用蘇繡制作的黑底藍(lán)紋水滴視覺暫留圖。

本發(fā)明的具體操作方式是這樣的：當(dāng)采用人力驅(qū)動(dòng)時(shí)，無需安裝擺桿定位裝置，傳動(dòng)軸外端連接手輪，在上吊環(huán)對(duì)稱的兩螺紋孔內(nèi)擰入擺桿，并在擺桿末端配相同質(zhì)量的砝碼，此時(shí)擺桿可在豎直平面的任意位置穩(wěn)定，用手將傳動(dòng)軸推至兩錐齒輪嚙合并搖動(dòng)，儀器轉(zhuǎn)動(dòng)后拉出傳動(dòng)軸使兩齒輪分離。擺體會(huì)在豎直平面內(nèi)的平衡位置即擺桿水平的位置附近做簡諧運(yùn)動(dòng)，隨著擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，儀器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨之交替減小增大，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的水平轉(zhuǎn)速遵循角動(dòng)量守恒定律交替增大減小，轉(zhuǎn)動(dòng)盤上的刺繡水滴圖也同時(shí)展現(xiàn)出不同的現(xiàn)象。

采用人力驅(qū)動(dòng)的另一種演示方案只需在上吊環(huán)上擰入一個(gè)擺桿，將傳動(dòng)軸外抽使錐齒輪分離，用手抓住砝碼抬起至一定高度，施加一個(gè)具有水平分力的順時(shí)力后松手。砝碼受到重力將會(huì)下落，隨著砝碼下落儀器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，遵循角動(dòng)量守恒定律水平轉(zhuǎn)速將增大，維持砝碼水平方向圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力隨之增大，砝碼下落到某一位置時(shí)維持圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力大于重力在水平方向的分力，此后砝碼下落的加速度會(huì)減小。若擺體從初始位置到最低點(diǎn)減小的重力勢(shì)能大于期間增加的動(dòng)能和損耗，則擺體可通過最低點(diǎn)，動(dòng)能再次轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，如此往返直至平衡，即擺體在豎直方向不再運(yùn)動(dòng)，儀器由于摩擦阻力轉(zhuǎn)速逐漸減小至停止運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)采用電力驅(qū)動(dòng)時(shí)，將擺桿定位裝置的安裝槽對(duì)準(zhǔn)上軸套，插入上軸系兩外連塊之間，用定位螺栓將擺桿固定在定位板對(duì)應(yīng)的某一角度，傳動(dòng)軸外端連接減速電機(jī)，啟動(dòng)電機(jī)待轉(zhuǎn)速恒定后記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速，拉出傳動(dòng)軸關(guān)閉電機(jī)，待停止轉(zhuǎn)動(dòng)后更換砝碼，在同一功率下做功相同時(shí)間記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用作差法得出能量與質(zhì)量的關(guān)系，同理控制砝碼質(zhì)量不變，改變擺桿角度得到能量與轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的關(guān)系，并由轉(zhuǎn)動(dòng)能量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的正比關(guān)系得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響因素質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的關(guān)系。

相比常規(guī)的物理實(shí)驗(yàn)，這種先由老師演示再由學(xué)生探究的實(shí)驗(yàn)更能培養(yǎng)學(xué)生的自主探究意識(shí)和創(chuàng)新思維，同時(shí)儀器在演示過程中所展示出的現(xiàn)象也更為新穎。

附圖說明

圖1為包含的整體主視圖。

圖2-1為儀器本體的主視圖和俯視圖，圖2-2為儀器本體的側(cè)視圖。

圖3為擺桿定位裝置。

圖4為上軸系視圖。

圖5為下軸系分解圖。

圖6為傳動(dòng)軸系主視圖。

圖7為視覺暫留圖。

圖中：001-擺桿002-砝碼003-固定塊004-底座005-減速電機(jī)

101-定位塊102-定位板103-定位孔104-內(nèi)連塊105-安裝槽106-導(dǎo)向孔

201-上吊環(huán)202-滾珠軸承203-上軸套204-外連塊205-左支撐板206-右支撐板

207-墊片208-上軸301-上轉(zhuǎn)動(dòng)盤302-下軸套a303-下軸304-鍵a305-下轉(zhuǎn)動(dòng)盤

306-下軸套b307-下軸承套a308-角接觸球軸承a309-鍵b310-下軸墊圈a

311-底座上板312-下軸墊圈b313-角接觸球軸承b314-下軸承套b315-錐齒輪a

401-錐齒輪b402-滑動(dòng)軸承套403-側(cè)擋板404-滑動(dòng)軸承405-傳動(dòng)軸406-鍵d。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，擺桿(001)一端與上吊環(huán)(201)之間采用螺紋連接固定，砝碼(002)與擺桿另一端采用螺紋連接固定。擺桿定位裝置(圖3)可沿安裝槽(105)插坐在儀器上軸系(圖4)的兩外連塊(204)之間，用于探究實(shí)驗(yàn)時(shí)控制擺桿角度進(jìn)行定量分析。上軸(208)安裝到支撐板(205、206)上后套上墊片(207)，用螺母擰緊。支撐板穿過上轉(zhuǎn)動(dòng)盤(301)的兩個(gè)l形孔，通過固定塊(003)用螺釘固定在下轉(zhuǎn)動(dòng)盤(305)上。傳動(dòng)軸末端連接驅(qū)動(dòng)設(shè)備手輪或減速電機(jī)(005)，分別用于演示和探究功能中驅(qū)動(dòng)。

如圖2-1所示，除去探究裝置的儀器本體不包含驅(qū)動(dòng)設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可直接通過對(duì)砝碼(002)施加瞬時(shí)力來實(shí)現(xiàn)演示功能。

如圖3所示，內(nèi)連塊(104)與定位板(102)間用四個(gè)螺釘緊固，定位塊(101)位于兩定位板之間，使用時(shí)先將定位塊由導(dǎo)向孔(106)套入擺桿(001)，再將安裝槽(105)對(duì)準(zhǔn)上軸，安裝完擺桿定位機(jī)構(gòu)后把定位塊(101)兩側(cè)的定位孔(103)對(duì)準(zhǔn)定位板上的定位孔后擰入定位螺栓實(shí)現(xiàn)擺桿角度的確定。

如圖4所示，上軸系由外向內(nèi)依次為螺母、墊片(207)、支撐板(205、207)、外連塊(204)、上軸套(203)、滾珠軸承(202)、上吊環(huán)(201)，安裝順序?yàn)橄葘蓾L珠軸承(202)壓入上吊環(huán)(201)后套入上軸(208)，再套入兩上軸套(203)，安放到左支撐板(205)和右支撐板(207)的槽內(nèi)，用墊片(207)和螺母緊固，在由上向下插入外連塊(204)并用4個(gè)螺釘緊固。

如圖5所示，下軸套a(302)與下軸(303)之間用鍵a(304)連接后插入下轉(zhuǎn)動(dòng)盤(305)，將上轉(zhuǎn)動(dòng)盤(301)套于下軸上端，從下軸下端套入下軸套b(306)，用四個(gè)緊定螺釘緊固轉(zhuǎn)動(dòng)盤與下軸，組成一體的轉(zhuǎn)動(dòng)部分。在底座上板(311)的上方依次安放下軸墊圈a(310)、角接觸球軸承(308)、下軸承套a(307)，在其下依次安放下軸墊圈b(312)、角接觸球軸承(313)、下軸承套b(314)，用四組螺栓螺母將這六個(gè)零件緊固在底座上板(311)。將前述轉(zhuǎn)動(dòng)部分整體插入軸承孔內(nèi)，用鍵和螺釘將錐齒輪a(315)固定到下軸(303)。

如圖6所示，傳動(dòng)軸(405)與錐齒輪b(401)之間用平鍵連接并以螺釘緊固?；瑒?dòng)軸承(404)穿過側(cè)擋板(403)后套上滑動(dòng)軸承套(402)，用4對(duì)螺栓螺母緊固。傳動(dòng)軸(405)穿過滑動(dòng)軸承(404)，可在水平方向自由運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)錐齒輪b(401)與錐齒輪a(315)的嚙合與分離。傳動(dòng)軸(405)的外端開有鍵槽，用鍵d(406)連接減速電機(jī)(005)及手輪。

如圖7所示，選用水滴下落的視覺暫留圖，采用黑色絲綢和藍(lán)色的線，用蘇繡的手法制作出刺繡水滴圖覆蓋上轉(zhuǎn)動(dòng)盤，從而使儀器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)水平轉(zhuǎn)速的大小能通過另一種新穎的形式被觀察到。