[发明专利]演示角动量守恒与转动惯量的综合演示仪及其演示方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种演示角动量守恒与转动惯量的综合演示仪及其演示方法，属于科教器材技术领域。

背景技术

随着科教产品的更新换代和发展，社会需要的提高，高校和一些科研厂商也将目光转向科教产品市场。角动量守恒定律是自然界最普遍的定律之一，角动量守恒和转动定理在现实生活中有着广泛的应用，如在航天事业中模拟重力的运用；转动定理和角动量守恒定理又是力学重要的两个知识点，然而，现有角动量守恒和转动惯量定理的原理演示教学装置都是分开来的。

一般验证角动量守恒的装置为一张可绕竖直转轴自由旋转的转椅，显示方法为：演示者坐在转椅上，手握哑铃，两臂平伸。使转椅转动起来，然后收缩双臂，可看到人和凳的转速显著加大。两臂再度平伸，转速减慢。这是因为绕固定转轴转动的物体的角动量等于其转动惯量与角速度的乘积，而外力矩等于零时，角动量守恒。当人收缩双臂时，转动惯量减小，因此角速度增加。

一般验证转动惯量的装置为两个刚性物体分别进行转动惯量演示，对其进行对比，从而验证了转动惯量的原理，其结果仅能用肉眼观察。

综上所述，现有的转动惯量演示装置和角动量守恒演示装置是独立的两个装置，分别需要进行演示，而且无数字显示，只能肉眼观察，演示效果不佳。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有的转动惯量演示装置和角动量守恒演示装置是独立的两个装置，需要进行分别演示，而且演示效果不佳。为了更好地研究和显示其物理原理，本发明将二者巧妙地结合起来，运用计算机控制技术，研制出的一种新型的角动量守恒与转动惯量综合演示仪。将角动量守恒和转动惯量定理原理通过同一仪器演示出来，并实现动态过程的可视化。

本发明采取以下技术方案：

一种演示角动量守恒与转动惯量的综合演示仪，包括单片机，拉绳电机，变频驱动电机，所述单片机作为所述综合演示仪的控制中心，能够获取所述变频驱动电机的转速；还包括支撑轴2，所述支撑轴2上设有随之转动的旋转臂4所述旋转臂4两侧各套设一个重球1，所述重球1与沿拉绳3连接，所述拉绳3沿旋转臂4设置，并由所述拉绳电机带动，拉动两个重球沿所述旋转臂4同步向内/向外移动；所述支撑轴2与下方的外转盘7的中心连接，所述外转盘7下方具有卡槽701，所述卡槽701呈齿轮形状；所述卡槽701内设有内转盘8，所述内转盘8上通过扭簧802与卡板801固定连接，所述卡板801与所述卡槽701对应；所述变频驱动电机开启，所述内转盘8由变频驱动电机带动转动，扭簧802变形，卡板801与卡槽701啮合，带动外传盘7转动，所述外传盘7带动支撑轴2转动；所述变频驱动电机停机，内转盘8转速小于外传盘7的转速，扭簧802复位，卡板801脱离所述卡槽802。

还包括显示屏5，所述显示屏5与所述单片机连接，能够显示所述变频驱动电机的转速。

还包括按键6，所述按键6与所述单片机连接。

一种使用上述综合演示仪进行角动量守恒的演示方法，包括以下步骤：

1）小球设于旋转臂4两端；

2）开动变频驱动电机，支撑轴2带动转动，旋转臂4转动，重球1同步转动；

3）达到设定转速后，变频驱动电机停机，卡板801与卡槽701分离；

4）拉绳电机带动拉绳3向内侧拉动，两个重球1同步沿旋转臂4向内滑动，旋转臂转速加快；

5）拉绳电机拉动拉绳3向外侧拉动，两个重球1同步沿旋转臂4向外滑动，旋转臂转速减慢。

一种使用上述综合演示仪进行转动惯量演示的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）小球设于旋转臂4两端；

2）开动变频驱动电机，支撑轴2带动转动，旋转臂4转动，重球1同步转动；

3）记录显示屏5上显示的转速；

4）变频驱动电机停机，卡板801与卡槽701分离，旋转臂4惯性转动；

5）记录旋转臂4直到停下所需的时间；

6）启动拉绳电机，拉绳拉动重球4向中间移动一段距离后停下，重复上述步骤1）、2）；

7）直至转速与步骤3）中的转速相同；

8）重复步骤4）、5）。

本发明的特点在于：角动量守恒原理与转动惯量的定理的演示结合在同一实验装置中，利用单片机作为控制系统，通过按键进行实际操作的控制。同时，巧妙利用了卡盘与卡板的结构，结构简单，利用扭簧，卡板竖直方向无需脱离卡槽就能实现卡板与卡槽的分离，方便的实现了对支撑轴2的驱动和停止驱动。