一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及角動(dòng)量定理的演示裝置的制造方法
【專利摘要】一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及角動(dòng)量定理的演示裝置，包括支架；設(shè)置于所述支架上的中心軸，所述中心軸與所述支架組合呈門形；設(shè)置于所述中心軸上的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)體，所述旋轉(zhuǎn)體可繞所述中心軸的軸線旋轉(zhuǎn)；繞制于所述旋轉(zhuǎn)體上的牽引繩；設(shè)置于所述牽引繩自由端的砝碼；豎直設(shè)置于支架上并位于所述中心軸一側(cè)的標(biāo)尺；設(shè)置于所述支架上的傳感器組件，所述傳感器組件包括兩對(duì)光電發(fā)射器和光電接收器，其中，兩個(gè)光電發(fā)射器上下間隔設(shè)置于所述中心軸一側(cè)的支架上，兩個(gè)光電接收器上下間隔設(shè)置于所述中心軸另一側(cè)的支架上，所述光電發(fā)射器與所述光電接收器的位置對(duì)應(yīng)；與傳感器組件電連接的顯示器，顯示器內(nèi)設(shè)置有計(jì)時(shí)模塊。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便攜，便于課堂演示。
【專利說明】
一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及角動(dòng)量定理的演示裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于演示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及角動(dòng)量定理的實(shí)驗(yàn)儀器。
【背景技術(shù)】
[0002]“轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”是大學(xué)物理課程剛體動(dòng)力學(xué)部分中的重點(diǎn)概念，由于該概念比較抽象學(xué)生往往存在著理解上的困難，如果可以進(jìn)行課堂演示將有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)。
[0003]在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量往往采用扭擺法，該方法實(shí)驗(yàn)條件苛刻，要求偏轉(zhuǎn)角很小、懸線長(zhǎng)度相等、張力相等等條件，具有顯示不明顯，裝置復(fù)雜不易在課堂進(jìn)行演示，儀器成本高等缺點(diǎn)。目前常見的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量演示裝置是采用兩個(gè)質(zhì)量和尺寸相同、質(zhì)量分布不同的圓柱體，將二者從一個(gè)斜面的同一高度同時(shí)釋放，通過二者滾下來的次序不同討論對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有影響的物理量，該實(shí)驗(yàn)存在著只能定性觀察沒有定量表述，且并不嚴(yán)格吻合剛體繞定軸旋轉(zhuǎn)的物理模型等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)以上不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種直觀地演示總質(zhì)量、質(zhì)量分布等物理量對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響的裝置。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取如下的技術(shù)解決方案:
[0006]—種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及角動(dòng)量定理的演示裝置，包括:支架；設(shè)置于所述支架上的中心軸，所述中心軸與所述支架組合呈門形;設(shè)置于所述中心軸上的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)體，所述旋轉(zhuǎn)體可繞所述中心軸的軸線旋轉(zhuǎn);繞制于所述旋轉(zhuǎn)體上的牽引繩;設(shè)置于所述牽引繩自由端的砝碼;豎直設(shè)置于支架上并位于所述中心軸一側(cè)的標(biāo)尺;設(shè)置于所述支架上的傳感器組件，所述傳感器組件包括兩對(duì)光電發(fā)射器和光電接收器，其中，兩個(gè)光電發(fā)射器上下間隔設(shè)置于所述中心軸一側(cè)的支架上，兩個(gè)光電接收器上下間隔設(shè)置于所述中心軸另一側(cè)的支架上，所述光電發(fā)射器與所述光電接收器的位置對(duì)應(yīng);與所述傳感器組件電連接的顯示器，所述顯示器內(nèi)設(shè)置有計(jì)時(shí)模塊。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述旋轉(zhuǎn)體的圓周面上加工有凹槽，所述牽引繩繞制于凹槽內(nèi)。
[0007]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述牽引繩繞制于所述旋轉(zhuǎn)體端部。
[0008]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述上下兩個(gè)光電發(fā)射器之間間隔的距離為標(biāo)尺的長(zhǎng)度。
[0009]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述旋轉(zhuǎn)體內(nèi)設(shè)置有角速度傳感器，所述角速度傳感器與所述顯示器電連接。
[0010]由以上技術(shù)方案可知，本實(shí)用新型的演示裝置可以實(shí)現(xiàn)多種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演示，包括轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響因素觀察、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量、角動(dòng)量定理及角動(dòng)量守恒的演示;計(jì)時(shí)模塊的引入，避免了觀察的主觀性，為計(jì)算及后續(xù)理論奠定了定量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)；同時(shí)本演示裝置還具有測(cè)量功能，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間的定量測(cè)量，避免了主觀誤差，還可以為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的求解、角動(dòng)量定量及角動(dòng)量守恒的數(shù)值驗(yàn)證提供計(jì)算數(shù)據(jù);不僅適用于規(guī)則形狀剛體的學(xué)習(xí)，也可以用于測(cè)量非規(guī)則形狀剛體對(duì)定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，解決了現(xiàn)有剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及角動(dòng)量演示儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、成本高的問題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便攜，實(shí)驗(yàn)過程直觀，便于課堂演示的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0011]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中需要使用的附圖做簡(jiǎn)單介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0012]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本實(shí)用新型實(shí)施例時(shí)，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的附圖會(huì)不依一般比例做局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。需要說明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、清晰地輔助說明本實(shí)用新型實(shí)施例的目的。
[0015]實(shí)施例1
[0016]如圖1所示，本實(shí)用新型的演示裝置包括支架1、中心軸2、旋轉(zhuǎn)體3、牽引繩4、砝碼
5、標(biāo)尺6、傳感器組件7及顯示器8。傳感器組件7包括光電發(fā)射器7-2和光電接收器7-1，本實(shí)施例中共設(shè)置了兩對(duì)光電發(fā)射器和光電接收器，傳感器組件7與顯示器8電連接，顯示器8內(nèi)具有計(jì)時(shí)模塊，傳感器組件可觸發(fā)計(jì)時(shí)模塊開始或停止計(jì)時(shí)，并在顯示器8上進(jìn)行顯示。
[0017]中心軸2設(shè)置于支架I上，中心軸2和支架I組合呈門形。旋轉(zhuǎn)體3設(shè)置于中心軸2上，并可在中心軸2上繞軸線旋轉(zhuǎn)，本實(shí)施例在中心軸2上設(shè)置了兩個(gè)外形和質(zhì)量相同、質(zhì)量分布不同的旋轉(zhuǎn)體。在旋轉(zhuǎn)體3的圓周面上加工有凹槽(未圖示)，將牽引繩4繞制于凹槽內(nèi)，牽引繩4的自由端連接砝碼5。在中心軸2某一側(cè)的支架I上設(shè)置有豎直放置的標(biāo)尺6。
[0018]傳感器組件7設(shè)置于中心軸2兩側(cè)的支架I上，上下間隔布置的兩個(gè)光電接收器7-1位于同一側(cè)的支架I上，上下間隔布置的兩個(gè)光電發(fā)射器7-2位于另一側(cè)的支架I上，光電發(fā)射器7-2的位置和光電接收器7-1的位置相對(duì)應(yīng)，兩個(gè)光電發(fā)射器之間間隔的距離等于標(biāo)尺6的長(zhǎng)度，由此，當(dāng)砝碼5下落時(shí)經(jīng)過第一對(duì)光電傳感器時(shí)，該光電傳感器檢測(cè)到砝碼，啟動(dòng)顯示器中的計(jì)時(shí)模塊開始計(jì)時(shí)，當(dāng)砝碼5下落經(jīng)過第二對(duì)光電傳感器時(shí)，該光電傳感器檢測(cè)到砝碼后，使計(jì)時(shí)模塊停止計(jì)時(shí)，即可記錄得到砝碼下落所用的時(shí)間，并在顯示器上進(jìn)行顯不O
[0019]下面對(duì)本演示裝置的演示過程進(jìn)行詳細(xì)說明如下:
[0020]將砝碼5與牽引繩4相連，將牽引繩4繞在旋轉(zhuǎn)體3的凹槽中，此時(shí)砝碼5位于設(shè)置在上的一對(duì)光電傳感器的上方；
[0021]通過釋放砝碼5給兩個(gè)旋轉(zhuǎn)體3施加相同的初速度，砝碼5在下落過程中帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)體3旋轉(zhuǎn)；
[0022]當(dāng)砝碼5通過設(shè)置在上的一對(duì)光電傳感器時(shí)，顯示器8中的計(jì)時(shí)模塊啟動(dòng)計(jì)時(shí)，并問步顯不時(shí)間；
[0023]當(dāng)砝碼5先后下落通過設(shè)置在下的一對(duì)光電傳感器時(shí)，計(jì)時(shí)模塊停止及時(shí)，并顯示出兩個(gè)砝碼經(jīng)過標(biāo)尺6所示距離分別所用的時(shí)間。
[0024]通過更換旋轉(zhuǎn)體，該演示裝置可以演示出形狀和質(zhì)量分布相同、總質(zhì)量不同的旋轉(zhuǎn)體在相同力矩下旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)的快慢的情況，或者形狀和質(zhì)量相同、質(zhì)量分布不同的旋轉(zhuǎn)體在相同力矩下旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)的快慢的情況。通過砝碼的重量及旋轉(zhuǎn)體的半徑可以計(jì)算得到力矩，通過計(jì)時(shí)模塊計(jì)量的時(shí)間可以進(jìn)一步運(yùn)算得到力矩的沖量及旋轉(zhuǎn)體的角動(dòng)量，進(jìn)一步的，還可計(jì)算得到末狀態(tài)旋轉(zhuǎn)體的角速度，進(jìn)而得到旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
[0025]實(shí)施例2
[0026]如圖2所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的地方在于:旋轉(zhuǎn)體3為不規(guī)則的剛體，在旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部還設(shè)有角速度傳感器，顯示器8內(nèi)設(shè)有角速度傳感器的接收器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體3旋轉(zhuǎn)時(shí)，顯示器8還可以接收到角速度傳感器測(cè)量到的速度，并進(jìn)行顯示。
[0027]在本裝置中，不同的實(shí)驗(yàn)樣品對(duì)應(yīng)不同的旋轉(zhuǎn)角速度，可以通過傳感器測(cè)量后直接將相關(guān)物理過程的測(cè)量結(jié)果，例如轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間和角速度等，顯示在顯示屏上，便于學(xué)生觀察。
[0028]以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，依然可以對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本實(shí)用新型精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍之中。例如，旋轉(zhuǎn)體的結(jié)構(gòu)、設(shè)置的數(shù)量、砝碼的重量等均可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行改變;牽引繩可以繞制于旋轉(zhuǎn)體圓周面上，也可以繞制于旋轉(zhuǎn)體端部的圓柱體上;諸如此等改變以及等效變換均應(yīng)包含在權(quán)利要求所述的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及角動(dòng)量定理的演示裝置，其特征在于，包括: 支架； 設(shè)置于所述支架上的中心軸，所述中心軸與所述支架組合呈門形； 設(shè)置于所述中心軸上的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)體，所述旋轉(zhuǎn)體可繞所述中心軸的軸線旋轉(zhuǎn)； 繞制于所述旋轉(zhuǎn)體上的牽引繩； 設(shè)置于所述牽引繩自由端的砝碼； 豎直設(shè)置于支架上并位于所述中心軸一側(cè)的標(biāo)尺； 設(shè)置于所述支架上的傳感器組件，所述傳感器組件包括兩對(duì)光電發(fā)射器和光電接收器，其中，兩個(gè)光電發(fā)射器上下間隔設(shè)置于所述中心軸一側(cè)的支架上，兩個(gè)光電接收器上下間隔設(shè)置于所述中心軸另一側(cè)的支架上，所述光電發(fā)射器與所述光電接收器的位置對(duì)應(yīng)；與所述傳感器組件電連接的顯示器，所述顯示器內(nèi)設(shè)置有計(jì)時(shí)模塊。2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及角動(dòng)量定理的演示裝置，其特征在于:所述旋轉(zhuǎn)體的圓周面上加工有凹槽，所述牽引繩繞制于凹槽內(nèi)。3.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及角動(dòng)量定理的演示裝置，其特征在于:所述牽引繩繞制于所述旋轉(zhuǎn)體端部。4.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及角動(dòng)量定理的演示裝置，其特征在于:所述上下兩個(gè)光電發(fā)射器之間間隔的距離為標(biāo)尺的長(zhǎng)度。5.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及角動(dòng)量定理的演示裝置，其特征在于:所述旋轉(zhuǎn)體內(nèi)設(shè)置有角速度傳感器，所述角速度傳感器與所述顯示器電連接。
【文檔編號(hào)】G09B23/10GK205541570SQ201521077543
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2015年12月22日
【發(fā)明人】趙文娟, 韓平, 韓一平, 馬紅玉, 徐強(qiáng), 崔志偉, 汪加潔
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)