[实用新型]多刚体系统角动量守恒演示仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种多刚体系统角动量守恒演示仪，特别是能同时对比演示在一内力偶矩作用下，具有不同转动惯量刚体所展示出来的宏观现象，以实现一种由多刚体构成系统的角动量守恒现象的演示。

背景技术

目前，公知的双盘结构的角动量守恒演示仪是由两个完全相同、共轴且能够绕同一对称轴自由旋转的圆盘，以及一根用于提供内力偶矩的弹性绳组成。在实际操作时，将弹性绳的一端挂在一个圆盘上，弹性绳的另一端挂在另一个圆盘上。然后将两个圆盘缓慢错开一定角度，这样弹性绳将发生一定的形变。此时，将位于上方的圆盘突然提起，随即弹性绳脱落，两个圆盘在弹性绳提供的瞬间内力偶矩的作用下，呈角速度大小相等，但方向相反的转动；在两个圆盘转动过程中，突然将提起的圆盘放下，随即两个圆盘相接触，两盘转动立刻停止。借此现象，来演示角动量守恒定律。

问题是这种公知的角动量守恒演示仪，由于圆盘的盘面与水平面平行，在为学生演示时，学生在平行水平面方向观察，实际观察只能观察到圆盘的侧面，降低了演示实验的宏观效果。

这种公知的角动量守恒演示仪其缺陷还在于：两个圆盘完全相同，即两个圆盘的转动惯量相同，因此不能够演示多刚体情况下，刚体转动惯量不同情况时，所展示出的角动量守恒制约下的宏观现象。

事实上，角动量守恒现象多种多样，质量、质量分布、固定转轴位置，都将影响刚体的转动惯量，进而在相同的力矩作用下，角动量的变化是虽是相同的，但物体将却可以呈现不同的运动状态。

发明内容

为了克服现有的双盘结构的角动量守恒演示仪的缺陷和不足，本实用新型提供一种多刚体角动量守恒演示仪，能够实现转动惯量相同、转动惯量不同两种情形下，多刚体角动量守恒现象的演示。特别是观察者能够观察到转动圆盘的盘面，而不是侧面。

为实现上述目的，本实用新型实现多刚体角动量守恒演示的系统具有如下构成：三个直径相同的圆盘（其中两个圆盘完全相同，另一个圆盘转动惯量为前述圆盘转动惯量的二分之一）、一个带有竖直安装平面的仪器底座、两个水平支撑轴、两个轴承、一根利用手工锯条制作的弹性钢片。

本实用新型解决问题所采用的技术方案是：利用有机玻璃材料制作三个直径为30厘米、厚度为1厘米的圆盘，其中一个圆盘通过对称挖空部分质量的方式，将其转动惯量变为原来的二分之一；在每个圆盘中心制作轴承卡槽，圆盘边缘制作成轮齿结构；在仪器底座上的竖直安装平面上，垂直安装平面并且等高度、相距40厘米，分别安装水平支撑轴，两个支撑轴长度相同，在两支撑轴远平面端安装完全相同的轴承；圆盘通过轴承卡槽，并通过轴承与支撑轴连接。

本实用新型的技术特征还在于：利用手工锯条制作的、长度为30厘米的弹性钢片，代替公知的弹性绳，安置在两个圆盘的轮齿之间。在外力约束作用下，缓慢转动两个圆盘，使得位于两个圆盘边缘的齿轮之间的钢片发生一定形变。

此时，当突然撤去作用于圆盘的外力约束后，发生形变的钢片瞬间对两个圆盘提供一内力偶矩。此时，每个圆盘，在内力矩作用下，转动状态发生改变。通过更换和圆盘组合，通过对比观察圆盘的转动状态，重复造作，来实现角动量守恒定律的演示。

本实用新型的有益效果是：可以直观对比演示转动惯量相同时和不同时，角动量守恒的表观现象。特别是经过设计，实现演示过程中，观察者能够观察到转动平面，且两个转动平面完全分开，提高了演示效果。装置结构简单，易于制作，反映的物理过程更加直观、清晰、全面，可加深对变转动惯量情况下，角动量守恒现象的认识。

附图说明

图1是本实用新型的两个圆盘完全相同演示时的正视图。

图2是本实用新型的两个圆盘完全相同演示时的侧视图。

图3是本实用新型的一个挖空部分质量圆盘演示时的正视图。

图1中：1—有机玻璃圆盘，2—圆盘轮齿，3—仪器底座，4—竖直安装平面，5—弹性钢片，6—轴承卡槽。

图2中：7—水平支撑轴，8—轴承，9—支撑轴固定器。

图3中：10—圆孔（挖空质量后形成）。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进一步描述。

本实用新型涉及一种多刚体角动量守恒演示仪，能够分别演示转动惯量相同、转动惯量不同两种情况的角动量守恒现象。

在图1中，该演示仪结构由上而下安装，分别是：竖直安装平面、两个完全相同的有机玻璃圆盘、底座。圆盘通过轴承卡槽与固定在竖直安装平面上带有轴承的水平支撑轴安装在一起。