CN103943005A - 多功能刚体转动及角动量定理教学演示仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能刚体转动及角动量定理教学演示仪，包括底座、支架、安装座、竖轴、横轴、摆杆、飞轮、导线器、定滑轮和连接线，所述支架固定于底座上，所述安装座垂直设置于底座上，所述竖轴竖向设置并与安装座转动连接，以绕竖轴中心自由转动，所述横轴水平设置于竖轴上端部，所述摆杆一端部与横轴转动连接，以绕横轴中心自由摆动，所述飞轮套设于摆杆上，以绕摆杆中心自由转动；所述导线器设置于支架上部，所述定滑轮设置于支架上部导线器的旁侧，所述连接线系于摆杆另一端部并依次通过导线器、定滑轮牵引至支架外侧。该教学演示仪可以演示多种刚体定点、定轴转动及角动量定理的相关实验，功能丰富，结构简单，使用效果好。

Description

多功能刚体转动及角动量定理教学演示仪

技术领域

本发明涉及一种多功能刚体转动及角动量定理教学演示仪，适用于演示多种刚体定点、定轴转动及角动量定理的相关实验。

背景技术

刚体的转动是力学中的重点，同时也是难点，其物理实质难以把握，所以无论是在《理论力学》还是在《大学物理》的教学中要让学生在短短的几个学时内掌握或理解其原理都存在很大的困难。如果能把刚体转动的相关现象与规律能用一种教学仪来演示与再现，对学生的理解将有很大的帮助。目前也有一些刚体转动方面演示仪，但可演示的实验项目较少，较单一，很难起到满意的教学效果。如果要演示多种刚体转动及角动量定理的实验则要用到多个教学试验仪，这样就给课堂教学带来很大的难度与不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能刚体转动及角动量定理教学演示仪，该教学演示仪可以演示多种刚体定点、定轴转动及角动量定理的相关实验，功能丰富，结构简单，使用效果好。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多功能刚体转动及角动量定理教学演示仪，包括底座、支架、安装座、竖轴、横轴、摆杆、飞轮、导线器、定滑轮和连接线，所述支架固定于底座上，所述安装座垂直设置于底座上，所述竖轴竖向设置并与安装座转动连接，以绕竖轴中心自由转动，所述横轴水平设置于竖轴上端部，所述摆杆一端部与横轴转动连接，以绕横轴中心自由摆动，所述飞轮套设于摆杆上，以绕摆杆中心自由转动；所述导线器设置于支架上部，所述定滑轮设置于支架上部导线器的旁侧，所述连接线系于摆杆另一端部并依次通过导线器、定滑轮牵引至支架外侧。

进一步的，所述竖轴、横轴、摆杆相交于一点。

进一步的，所述竖轴、横轴、摆杆的交点与导线器在同一竖直位置上。

进一步的，所述飞轮上设有绕绳槽，以绕设用于驱动飞轮旋转的细绳。

本发明的有益效果是：功能丰富多样，能够演示刚体定点转动、定轴转动，角动量与角速度方向不同，刚体定点转动的角动量守恒定律及角动量定理，恒定外力矩时的进动现象，外力矩变化时的进动现象，外力矩自动地连续变化时的进动现象等相关实验，而且结构简单，操作方便，具有很强的实用性。

附图说明

图1是本发明实施例的结构图。

图2是本发明实施例演示重力矩作用下刚体进动现象的示意图。

图3是本发明实施例演示外力矩自动地连续变化时的进动现象的示意图。

图4是本发明实施例演示角动量与角速度方向不同的示意图。

图5是本发明实施例演示刚体定点转动的角动量守恒定律现象的示意图。

图中，1-底座，2-支架，3-安装座，4-竖轴，5-横轴，6-摆杆，7-飞轮，8-导线器，9-定滑轮，10-连接线，11-绕绳槽，12-砝码。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明多功能刚体转动及角动量定理教学演示仪，如图1所示，包括底座1、支架2、安装座3、竖轴4、横轴5、摆杆6、飞轮7、导线器8、定滑轮9和连接线10。所述底座1为圆形的铁板，所述支架2为半框架结构且固定于底座1上，所述安装座3垂直设置于底座1上，所述竖轴4竖向设置并与安装座3转动连接，以绕竖轴中心自由转动，所述横轴5水平设置于竖轴4上端部，所述摆杆6一端部与横轴5转动连接，以绕横轴中心自由摆动，所述飞轮7套设于摆杆6上，以绕摆杆中心自由转动；所述导线器8设置于支架2上部，所述定滑轮9设置于支架2上部导线器8的旁侧，所述连接线10系于摆杆6另一端部并依次通过导线器8、定滑轮9牵引至支架2外侧。

在本实施例中，所述竖轴4、横轴5、摆杆6相交于一点。所述竖轴4、横轴5、摆杆6的交点与导线器8在同一竖直位置上。

在本实施例中，飞轮7套设于摆杆6中部，这样飞轮7更靠近竖轴4，演示仪相对于竖轴4的转动惯量就大大减少，因此支架2使用半框架也能保证转动的稳定性，也可以较大程度地减轻底座1的质量，演示仪更加轻便。此外，由于支架2只使用半框架，操作更方便。

所述飞轮7上设有绕绳槽11，以绕设用于驱动飞轮7旋转的细绳。只要把细绳在绕绳槽11上多绕几圈，一手握住摆杆6，另一手用力拉细绳，就很容易使飞轮7高速旋转。

本发明可演示多种刚体转动及角动量守恒定理相关的实验现象：如刚体的定轴、定点转动，角动量与角速度方向的不同，刚体定点转动的角动量守恒定律及角动量定理，恒定外力矩时的进动现象，外力矩变化时的进动现象，外力矩自动地连续变化时的进动现象等等。图2为演示重力矩作用下刚体进动现象的示意图。图3为演示外力矩自动地连续变化时的进动现象的示意图。图4演示角动量与角速度方向不同的示意图。图5为演示刚体定点转动的角动量守恒定律现象的示意图。

下面说明下本发明的操作过程：

以图2演示重力矩作用下刚体的进动现象为例，实验者把细绳在绕绳槽11上多绕几圈，然后左手握住摆杆6，右手用力拉细绳，使飞轮7高速旋转，然后再平稳地放开左手，这样就可以看到系统在重力矩作用下，不但不会发生倾倒，而且还会绕竖轴转动，即产生了进动现象。如果在实验中，发现飞轮与摆杆组成的系统相对于竖直轴的重力矩过大，可以用细线系摆杆的端点，通过导线器，绕过定滑轮在另一端系个适当质量砝码效果更佳，如图1所示。

如果要演示外力矩连续变化的情形，如图3所示，与在上述实验中类似，先让飞轮高速旋转，只是在细线与砝码中增加一个弹簧，然后把砝码向下轻轻拉一下再放手，由于弹簧的作用，砝码就会上下振动。通过系线就会产生一个连续变化的力矩作用到摆杆上，可以观察到摆杆在水平方向上左右摆动，而不是上下摆动，这种奇特现象。

如把细线的另一端固定，则可以演示定轴转动，如图4所示，当飞轮自身不转，但飞轮与摆杆组成的系统绕竖直轴转动，这时也可清楚看出刚体转动的角速度与角动量是不同的。

也可以演示外力矩突变时的现象，即在保持一定的外力时，突然剪断细线，外力矩突然消失，如图5所示，观察转动所发生的现象。这个实验很直观地演示了刚体定点转动的角动量定理及角动量守恒。通过演示实验可以让同学对角动量定理有个很直接的认识，理解起来就变得十分简单，针对前面所述的细线被剪断的情形解释如下：由于在在细线剪断前，细线的拉力产生相对于支点的力矩是垂直于角动量与摆杆组成的平面，又因为外力矩始终垂直于角动量，所以系统相对于支点的角动量大小不变，但方向在不断地变化，即角动量绕竖直轴在进动。线剪断后，外力矩突然消失，那么系统相对于支点的角动量守恒，角动量的大小方向都不变，系统作以刚剪断那瞬间的角动量方向为轴的转动。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.一种多功能刚体转动及角动量定理教学演示仪，包括底座、支架、安装座、竖轴、横轴、摆杆、飞轮、导线器、定滑轮和连接线，其特征在于：所述支架固定于底座上，所述安装座垂直设置于底座上，所述竖轴竖向设置并与安装座转动连接，以绕竖轴中心自由转动，所述横轴水平设置于竖轴上端部，所述摆杆一端部与横轴转动连接，以绕横轴中心自由摆动，所述飞轮套设于摆杆上，以绕摆杆中心自由转动；所述导线器设置于支架上部，所述定滑轮设置于支架上部导线器的旁侧，所述连接线系于摆杆另一端部并依次通过导线器、定滑轮牵引至支架外侧。

2.根据权利要求1所述的多功能刚体转动及角动量定理教学演示仪，其特征在于：所述竖轴、横轴、摆杆相交于一点。

3.根据权利要求2所述的多功能刚体转动及角动量定理教学演示仪，其特征在于：所述竖轴、横轴、摆杆的交点与导线器在同一竖直位置上。

4.根据权利要求1所述的多功能刚体转动及角动量定理教学演示仪，其特征在于：所述飞轮上设有绕绳槽，以绕设用于驱动飞轮旋转的细绳。