[發明專利]轉動慣量探究儀

在審

• 申請號: 201710225671.1
• 申請日: 2017-04-07
• 公開（公告）號: CN107085994A
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 王穎龍;張國勝;王晨悅
• 申請（專利權）人: 王穎龍
• 主分類號: G09B23/06
• 分類號: G09B23/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及的是一種物理學探究儀器，特別是一種轉動慣量探究儀。

背景技術

物理學是一門實驗科學，在物理學的歷史中每個概念的建立、每個定律的發現，都有其堅實的實驗探究基礎。轉動慣量是剛體繞軸轉動時慣性的量度，在旋轉動力學中的角色相當于線性動力學中的質量，可形式地理解為一個物體對于旋轉運動的慣性，用于建立角動量、角速度、力矩和角加速度等數個量之間的關系。目前在大學的物理教學中與轉動慣量相關的儀器主要通過三線擺、扭擺等測試物體轉動慣量大小的實驗儀器來加強學生對此概念的認識，但都是直接告訴學生這個物理量的公式，沒有一個引導探究的過程。而與轉動慣量相關的茹科夫斯基轉椅等演示類儀器，又沒有對演示出的現象做進一步的探究。此外，這些演示類儀器大多針對角動量守恒定律來演示，在演示過程中需要人為改變轉動慣量的大小，演示過程不夠連貫、現象也比較單調。

發明內容

本發明的主要目的是通過儀器演示過程中的現象激發觀察者的興趣，進而通過親自操作儀器來探究出轉動慣量的表達式J=mr²。此外，儀器的演示過程中還能體現出視覺暫留、簡諧運動等物理現象。

本發明的目的是這樣實現的：包括儀器本體、擺桿定位裝置、傳動機構和數據采集設備。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；所述傳動機構位于底座內，傳動軸可水平移動，外端用聯軸器連接手輪或減速電機分別適用于演示和探究階段；所述數據采集設備包括光電門和智能計數器等可測量出儀器轉動盤的瞬時角速度和角加速度。還包括套在上轉動盤上用蘇繡制作的黑底藍紋水滴視覺暫留圖。

本發明的具體操作方式是這樣的：當采用人力驅動時，無需安裝擺桿定位裝置，傳動軸外端連接手輪，在上吊環對稱的兩螺紋孔內擰入擺桿，并在擺桿末端配相同質量的砝碼，此時擺桿可在豎直平面的任意位置穩定，用手將傳動軸推至兩錐齒輪嚙合并搖動，儀器轉動后拉出傳動軸使兩齒輪分離。擺體會在豎直平面內的平衡位置即擺桿水平的位置附近做簡諧運動，隨著擺桿的轉動，儀器的轉動慣量隨之交替減小增大，轉動部分的水平轉速遵循角動量守恒定律交替增大減小，轉動盤上的刺繡水滴圖也同時展現出不同的現象。

采用人力驅動的另一種演示方案只需在上吊環上擰入一個擺桿，將傳動軸外抽使錐齒輪分離，用手抓住砝碼抬起至一定高度，施加一個具有水平分力的順時力后松手。砝碼受到重力將會下落，隨著砝碼下落儀器的轉動慣量減小，遵循角動量守恒定律水平轉速將增大，維持砝碼水平方向圓周運動所需的向心力隨之增大，砝碼下落到某一位置時維持圓周運動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減小。若擺體從初始位置到最低點減小的重力勢能大于期間增加的動能和損耗，則擺體可通過最低點，動能再次轉化為重力勢能，如此往返直至平衡，即擺體在豎直方向不再運動，儀器由于摩擦阻力轉速逐漸減小至停止運動。

當采用電力驅動時，將擺桿定位裝置的安裝槽對準上軸套，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應的某一角度，傳動軸外端連接減速電機，啟動電機待轉速恒定后記錄電機轉速、轉動盤轉速，拉出傳動軸關閉電機，待停止轉動后更換砝碼，在同一功率下做功相同時間記錄實驗數據，采用作差法得出能量與質量的關系，同理控制砝碼質量不變，改變擺桿角度得到能量與轉動半徑的關系，并由轉動能量與轉動慣量的正比關系得到轉動慣量的影響因素質量和轉動半徑的關系。

相比常規的物理實驗，這種先由老師演示再由學生探究的實驗更能培養學生的自主探究意識和創新思維，同時儀器在演示過程中所展示出的現象也更為新穎。

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

101-定位塊 102-定位板 103-定位孔 104-內連塊 105-安裝槽 106-導向孔

201-上吊環 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-上轉動盤 302-下軸套A 303-下軸 304-鍵A 305-下轉動盤