[發明專利]一種演示旋轉剛體的幾個基本內容的裝置與方法

有效

• 申請號: 201810318356.8
• 申請日: 2018-04-11
• 公開（公告）號: CN108510848B
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 梁法庫
• 申請（專利權）人: 齊齊哈爾大學
• 主分類號: G09B23/10
• 分類號: G09B23/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種演示旋轉剛體的幾個基本內容的裝置與方法，主要包括攝像機、白色卵石，等距螺旋線和白紙等，其特征是：卵石為白色卵石，在卵石表面上點陣式等間距涂上黑色小方斑，圍繞卵石長軸在卵石的表面上畫出紅色等距螺旋線，在卵石的曲率半徑大的一端頂部區域涂上藍色印泥，白紙粘貼在水平桌面上。演示時，將攝像機鏡頭朝向白紙上的卵石錄像，將卵石長軸水平放置在白紙上，雙手驅動卵石繞豎直軸高速旋轉，在白紙上留下印泥的軌跡，也就是章動與進動規律，看到繞長軸的螺旋線沿長軸方向運動等現象，制作簡易，效果明顯，在教學中應用會增加更多的教育功能，也可以推廣到科教創新領域。

技術領域

本專利涉及演示一種旋轉剛體的幾個基本內容的演示裝置與方法，屬于物理實驗儀器領域。

背景技術

剛體定點運動是剛體力學的重點內容，對于剛體質心的平動與繞質心轉動使定點運動進一步拓展為一般運動，以往定點運動的進動、章動的軌跡演示難于實現，也缺少對剛體對稱軸的角速度、角動量變化規律演示裝置，發明人給出了一種力矩突變時的角動量變化規律的演示與分析，總之，由于剛體的進動章動（軌跡）演示技術的難度較大，現有技術缺少對于剛體的進動、章動演示，也缺少剛體角動量由繞短軸改變為繞長軸的演示實驗及角速度的右手法則關系的直觀演示，本專利就要解決這一問題。本專利是在國家自然基金項目（項目號：11405092）、黑龍江省省屬高等學校基本業務費科研項目（項目號：135209251）及黑龍江省高等學校教改與應用項目（項目號：SJGY20170385）的支持下完成的。

參考文獻：

梁法庫、路峻嶺. 可倒陀螺的機理與制作《物理實驗》2002年第3期

梁法庫 等. 一種翻轉陀螺 中國專利，專利號2011204168963 授權日2012.07.11

梁法庫 等. 力矩突變時的角動量變化規律的演示與分析《大學物理》 2004年02期。

發明內容

本專利是解決旋轉剛體的幾個基本內容的演示問題，著重解決一種卵形體情形的剛體的進動、章動及繞軸角動量（角速度）變化規律演示的技術與方法。

本專利技術方案：一種演示旋轉剛體的幾個基本內容的裝置與方法，主要包括攝像機、白色卵石，方斑，等距螺旋線，頂部區域和白紙等，其特征是：卵石（形狀是卵形，接近橢球體，材料為石材，或者用白皮新鮮煮熟的雞蛋、鵝蛋代替）為白色卵石，在卵石表面上點陣式等間距涂上黑色小方斑，圍繞卵石長軸在卵石的表面上畫出紅色等距螺旋線（沿卵石長軸的軸向方向等間距），在卵石的曲率半徑大的一端頂部區域涂上藍色印泥（或者用記號筆涂抹頂部區域），白紙粘貼在水平桌面上。

演示時，將攝像機鏡頭朝向白紙上的卵石錄像，將卵石長軸水平放置在白紙上，雙手驅動卵石繞豎直軸高速旋轉，（1）（觀察者會看到）卵石在旋轉過程漸漸豎起，曲率半徑大的一端接觸白紙，最后卵石豎直立起整體繞長軸旋轉、或繞豎直軸旋轉；（2）在卵石從開始啟動到豎起過程中，觀察到水平黑色環（剛體卵石總角動量方向沒有改變，繞豎直軸旋轉形成的視覺現象），當在卵石漸漸豎起其長軸快接近豎直軸時，可以看到繞卵石長軸的螺旋線沿著長軸方向運動（移動），這是繞著長軸角速度方向（我們設計的等距螺旋線就是按照右手螺旋法則設計的）；（3）當在卵石豎起過程其長軸快接近豎直軸時，可以看到在白紙上留下印泥的軌跡，這個軌跡就是反映卵石的進動與章動軌跡的圖像。

演示時，通過錄像記錄，可以滿足演示現場學生沒有看清楚，教師在大屏幕上播放，根據需要調節錄像的播放速度，效果更好。

簡要分析：從理論上，卵石在繞豎直軸旋轉過程中，考慮每一周摩擦力大小μmg不變與 對質心半徑r也不變，在地面參考系中卵石旋轉一周桌面給的摩擦力的沖力矩∫r×μmgdt＝0，也 就是角動量沒有改變。

其角動量方向沒有改變，根據視覺暫留效應就會看到卵石表面等間距（點陣式）涂上黑色小方斑構成的一組平行環；