[发明专利]角动量守恒定律实验仪

说明书

技术领域

本发明属于物理实验仪器领域，涉及一种力学实验装置，具体为一种用于研究刚体碰撞的角动量守恒定律实验仪。

背景技术

刚体的碰撞是刚体力学中常见的问题，例如，棒与球的碰撞等。刚体在碰撞过程中，遵循角动量守恒定律，如果是弹性碰撞，还遵循机械能守恒定律。目前，缺乏一种实现刚体的碰撞并验证角动量守恒定律的实验设备。

发明内容

本发明的目的，是设计一种角动量守恒定律实验仪，该仪器能实现刚体的碰撞并验证角动量守恒定律。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：包括底座、立板、转轴、直杆、摆球；所述立板为长方形，立板垂直固定在底座上；转轴垂直固定在立板中上部；直杆为均质等截面细杆，直杆一端固定在转轴上可绕转轴在竖直平面内自由转动；摆球通过摆线与转轴联结，摆线长度可调；立板上设有用于确定摆球与直杆碰撞前后高度位置的等间隔分布的高度标线。

本发明还包括摆球的摆动控制单元，摆动控制单元包括导轨、伸缩杆、电磁铁、电磁铁控制器，导轨固定在立板的右上部，伸缩杆的一端活动联结在导轨上可沿导轨来回移动，伸缩杆的另一端联结电磁铁用于吸附摆球，电磁铁控制器与电磁铁电相连用于控制摆球的吸附与释放。

优选地，所述摆线的长度等于直杆长度，所述直杆的质量为摆球质量的2.45倍。

本发明由于采用上述设计，能产生以下有益效果：调节摆线长度可控制摆球与直杆的碰撞点，由立板上的高度标线可确定摆球初始高度以及碰撞后摆球与直杆的上升高度。本发明用直观可读的物理量间接量度角动量大小，并由此验证角动量守恒定律，大大简化了验证难度。本发明可配合刚体力学的教学，通过刚体的碰撞，直观、方便地验证角动量守恒定律，有利于加深学生对刚体碰撞过程及规律的理解。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的构成示意图。

图2是本发明的测量原理图。

图中：1.底座，2.立板，3.转轴，4.直杆，5.摆球，6.摆动控制单元，11.调平螺丝，21.高度标线，51.摆线，61.导轨，62.伸缩杆，63.电磁铁，64.电磁铁控制器。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括底座1、立板2、转轴3、直杆4、摆球5。立板2为长方形，立板2垂直固定在底座1上。转轴3垂直固定在立板2中上部。直杆4为均质等截面细杆，直杆4一端固定在转轴3上可绕转轴3在竖直平面内自由转动。摆球5通过摆线51与转轴3联结，摆线51的长度可调。立板2上设有用于确定摆球5与直杆4碰撞前后高度位置的等间隔分布的高度标线21。底座1下方设有用于调节底座1水平的调平螺丝11。

本发明还包括摆球5的摆动控制单元6，摆动控制单元6包括导轨61、伸缩杆62、电磁铁63、电磁铁控制器64，导轨61固定在立板2的右上部，伸缩杆62的一端活动联结在导轨61上可沿导轨61来回移动，伸缩杆62的另一端联结电磁铁63用于吸附摆球5。电磁铁控制器64与电磁铁63电相连用于控制摆球5的吸附与释放：通电时电磁铁63产生磁性将摆球5吸附，断电时摆球5释放向下摆动。使用该摆动控制单元6时摆球5为铁质球。

优选地，所述摆线51的长度等于直杆4的长度，直杆4的质量为摆球5质量的2.45倍。

测量及验证原理参见图2，该实施例中，摆球5质量为m₁，直杆4质量为m₂，摆线51与直杆4的长度均为L，摆球5下摆时的高度为h₀，与直杆4发生弹性碰撞后摆球5回弹的高度为h₁，直杆4末端上升的高度为h₂。

由角动量守恒定律，有：

m₁v₁L＝Jω-m₁v₂L，即

Jω＝m₁L(v₂-v₁)(1)

式中v₁和v₂分别是摆球5与直杆4碰撞前后的速度大小，J为直杆4绕转轴3的转动惯量。

由机械能守恒定律，有：