CN104346977B - 转动惯量教具仪 - Google Patents

Abstract

转动惯量教具仪，在底座上安装有发射装置、摆角检测装置。本发明的基本思路是通过“角动量守恒”的知识点来实现的。通过弹射实验小球，转动平台的V形挡板受到实验小球的冲击而转动，转动平台因固定其上的检测物的不同转动惯量的特性呈一定的角速度旋转，固定其上的单向摆臂记录最大摆角。根据转动惯量与摆角之间的换算关系，可知单向摆臂的摆角与转动平台上安装的待检测物的转动惯量的大小大致成反比的关系。从而通过测量摆角大小来间接反映转动惯量的大小。

Description

转动惯量教具仪

技术领域

本发明属于教具器械，特别涉及转动惯量教具仪。

背景技术

转动惯量是刚体绕轴转动时惯性的量度。其量值取决于物体的形状、质量分布及转轴的位置，而同刚体绕轴的转动状态无关。刚体的转动惯量有着重要的物理意义，在科学实验、工程技术、航天、电力、机械、仪表等工业领域也是一个重要参量。

测定刚体转动惯量的方法很多，常用 的有三线摆、扭摆、复摆等。但是用于课堂上对转动惯量进行讲解，还没有一个直观的教具。

发明内容

为解决现有技术没有简便的器械对转动惯量进行教学的不足，提供一种转动惯量教具仪，这种教具仪操作方便、结构合理、能直观地反映不同物体的转动惯量，通过让学生的亲身体验和参与来活跃课堂气氛、提高学生学习热情、巩固转动惯量这一知识点。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

转动惯量教具仪，包括底座，在底座上安装有发射装置、摆角检测装置；

发射装置包括安装在底座上的弹射平台，在弹射平台上安装有直线滑轨和弹射轨道，在直线滑轨上安装有弹射接触器，直线滑轨上弹射接触器的后端套有发射弹簧，在其前端套有减震弹簧，在弹射接触器上固定有手柄，在弹射平台上安装有楔形卡位块，在楔形卡位块与一滑杆固定连接，在弹射平台与滑杆之间安装有复位弹簧；

在弹射平台前端安装有摆角检测装置，摆角检测装置包括转动平台，转动平台通过轴承安装于底座上；在转动平台上安装有V形挡板，在转动平台的轴心处竖向安装有固定杆，在固定杆上通过单向轴承安装有摆臂，在摆臂末端固定有摆球，固定杆在摆臂的摆面上安装有摆角刻度表；在转动平台的轴心处安装有圆形转动惯量检测物。

上述的转动惯量教具仪，若干个转动平台分别通过轴承固定在横臂上，所有横臂与一转轴固定，转轴与底座通过轴承连接；在底座上安装有拨盘，拨盘与电机连接；转动平台的转轴上固定有与拨盘配合的槽轮；拨盘分为半月形凸台和拨柱，槽轮的凸角数量与转动平台数量一致，其凸角沿辐向开设与拨柱配合的凹槽，槽轮的凸角的凹边与拨盘的半月形凸台的外圆边相抵触；在不同的转动平台轴心安装具有不同转动惯量的圆形检测物；

转动平台开设定位缺口，在定位缺口处安装有滚珠推杆，滚珠推杆与滚珠滑轨通过滑槽滑轨结构配合，滚珠滑轨安装于横臂上，在底座上固定有抬升斜块，滚珠推杆下端通过滑轮与抬升斜块接触配合；当滚珠推杆下端与上升斜块接触时，滚珠推杆的定位凸棱从转动平台的缺口处脱离，此时转动平台可自由转动，与此同时V形挡板恰好位于弹射轨道正前方。

上述的转动惯量教具仪，还包括回收装置，回收装置包括安装于弹射轨道前方转动平台一侧的漏斗，在漏斗下端连接与漏斗相通的回收轨道，回收轨道另一头与一升降装置连接，回收轨道从漏斗向升降装置倾斜，通过升降装置将回收的实验小球送回弹射轨道。

上述的转动惯量教具仪，所述的升降装置包括安装在底座上的竖直滑轨，在滑轨上安装有滑块，滑块与一螺杆连接，螺杆与电机连接，滑块上设有实验小球回收容腔；当电机驱动螺杆转动，带动滑块下降到底端时，实验小球回收容腔与回收轨道处于同一平面，并且回收容腔低于回收轨道，以保证实验小球通过重力作用从回收轨道落入回收容腔；在弹射平台上固定有实验小球接收轨道，该轨道与升降装置的实验小球回收容腔相接，且低于回收容腔，同时实验小球的接收轨道又高于弹射轨道，可使实验小球通过重力作用落入接收轨道再落入弹射轨道。

上述的转动惯量教具仪，所述的发射装置在弹射平台下方安装有卡块支架，用于安装复位弹簧的滑杆下端穿过卡块支架下端的通孔与一弹射拉杆固定连接。

转动惯量教具仪的基本思路是通过“角动量守恒”的知识点来实现的。通过弹射实验小球，转动平台的V形挡板受到实验小球的冲击而转动，转动平台形成一定的角速度，记录单向摆臂的最大摆角。根据转动惯量与摆角之间的换算关系，可知单向摆臂的摆角与转动平台上安装的待检测物的转动惯量的大小大致成反比的关系。

本发明是通过测量摆臂的摆角大小来间接地反映转动惯量的大小。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明弹射装置弹射后的结构示意图。

图3为本发明弹射装置弹射前卡锁状态的结构示意图。

图4为本发明拨盘未工作时的结构示意图。

图5为本发明拨盘拨动转动平台的槽轮时的结构示意图。

图6为本发明摆角检测装置抬升时的结构示意图。

图7为本发明摆角检测装置未抬升时的结构示意图。

图8为本发明转动平台抬升时的结构示意图。

图9为本发明转动平台未抬升时的结构示意图。

图10本为发明回收升降装置的结构示意图。

图11为本发明滚珠推杆的结构示意图。

图12为本发明回收升降装置的后视结构示意图。

图13为本发明回收升降装置的正视结构示意图。

图中标记为：1底座，11手柄，12弹射接触器，13楔形卡块，14直线滑轨，15弹射轨道，16发射弹簧，17减震弹簧，18复位弹簧，19滑杆，191弹射拉杆，192卡块支架，111弹射平台，210、220、230摆角刻度表，2100、2200、2300转动平台上的固定杆，211、221、231摆臂，212、222、232圆形转动惯量检测物，213、223、233V形挡片，214、224、234横臂，215、225、235滑轮，216、226、236转动平台，217、227、237摆球，218滚珠滑轨，219、239滚珠推杆，2199定位缺口，4抬升斜块，51回收漏斗，52回收轨道，53升降螺杆，54电机，55滑块，56回收容腔，57接收轨道，58限位靠板，59升降电机固定板，6拨盘，61拨盘的半月形凸台，62拨杆，63转轴，64槽轮，65槽轮凸角上的辐向开槽。

具体实施方式

实施例一

转动惯量教具仪，包括底座1，在底座上安装有发射装置、摆角检测装置；

发射装置包括安装在底座上的弹射平台111，在弹射平台上安装有直线滑轨14和弹射轨道15，在直线滑轨上安装有弹射接触器12，直线滑轨上弹射接触器的后端套有发射弹簧16，在其前端套有减震弹簧17，在弹射接触器上固定有手柄11，在弹射平台上安装有楔形卡位块13，在楔形卡位块与一滑杆19固定连接，在弹射平台下方安装有卡块支架192，用于安装复位弹簧的滑杆下端穿过卡块支架下端的通孔与一弹射拉杆191固定连接，有复位弹簧18套装于滑杆19外侧。

在弹射平台前端安装有摆角检测装置，单个摆角检测装置包括一转动平台216，；在转动平台上安装有V形挡板213，在转动平台的轴心处竖向安装有固定杆2100，在固定杆上通过单向轴承安装有摆臂211，在摆臂末端固定有摆球217，固定杆在摆臂的摆面上安装有摆角刻度表210；在转动平台的轴心处安装有圆形转动惯量检测物212。

本实施例中包括三个摆角检测装置，这三个摆角检测装置的转动平台分别通过轴承固定在横臂214、224、234上，三只横臂与一转轴63固定，转轴与底座1通过轴承连接；在底座上安装有拨盘6，拨盘与电机连接；转动平台的转轴上63固定有与拨盘配合的槽轮64；拨盘分为半月形凸台61和拨柱62。本例中，槽轮的凸角数量与转动平台数量一致，为三个，槽轮凸角沿辐向开设与拨柱配合的凹槽65，槽轮的凸角的凹边与拨盘的半月形凸台61的外圆边相抵触；在不同的转动平台轴心安装具有不同转动惯量的圆形检测物212、222、232；

转动平台开设定位缺口2199，在定位缺口处安装有滚珠推杆219，滚珠推杆与滚珠滑轨218通过滑槽滑轨结构配合，滚珠滑轨安装于横臂214上，在底座上固定有抬升斜块4，滚珠推杆下端通过滑轮215与抬升斜块接触配合；当滚珠推杆下端与上升斜块接触时，滚珠推杆的定位凸棱从转动平台的缺口处脱离，这样转动平台可自由转动，与此同时V形挡板恰好位于弹射轨道正前方。

还包括一回收装置，回收装置包括安装于弹射轨道前方转动平台一侧的漏斗51，在漏斗下端连接与漏斗相通的回收轨道52，回收轨道另一头与一升降装置连接，回收轨道从漏斗向升降装置倾斜，通过升降装置将回收的实验小球送回弹射轨道。

升降装置包括安装在底座上的限位靠板58，在升降螺杆上安装有滑块55，滑块55通过平靠在限位靠板58的竖直端面上不致发生转动，从而滑块可因螺杆转动而上下滑动；螺杆与电机通过齿轮副啮合连接，滑块上设有实验小球回收容腔56；当电机驱动螺杆转动，带动滑块下降到底端时，实验小球回收容腔与回收轨道处于同一平面，并且回收容腔低于回收轨道，以保证实验小球通过重力作用从回收轨道落入回收容腔；在弹射平台上固定有实验小球接收轨道57，该接收轨道与升降装置的实验小球回收容腔相接，且低于回收容腔，同时实验小球的接收轨道57又高于弹射轨道15，可使实验小球通过重力作用落入接收轨道再落入弹射轨道。

整个回收装置，回收轨道、与滑块连接的实验小球回收容腔、接收轨道、弹射轨道，首尾互接，并且从高到低进行安装，这样，实验小球可以依重力作用，从漏斗这个高的一端滑最终滑落到弹射轨道内，以便进行下一次发射。

将实验小球放在弹射轨道上，再将发射装置的手柄向后拉，弹射接触器与楔形卡块相卡，释放弹射拉杆，即将其下拉，楔形卡块跟随向下移动，当楔形卡块上顶面与弹射平台上端面齐平时，弹射接触器脱离楔形卡块，发射弹簧将弹射接触器向前顶出，将位于弹射轨道的实验小球向前弹出，弹射接触器弹出后，复位弹簧将楔形卡块向上顶出弹射平台上端面进行复位。

三只安装有不同转动惯量检测物的转动平台，可以通过V形挡块接受实验小球的三次弹射撞击，转动平台受撞击后转动，安装其上的摆臂通过单向轴承的作用，摆臂将停止于最大摆角，这一摆角反应了转动惯量的大小。通过将摆臂向旋转方向手工转动，可对摆臂进行复位，用于下次的撞击记录。

通过拨盘的拨柱，实现对三个转动检测平台的换位。拨盘转动，拨柱卡入槽轮的开槽，带动槽轮转动，同时带动转动平台的转动，转动平台滚珠推杆下端的滑轮与抬升斜块接触，抬升斜块将滚球推杆沿滚珠滑轨向上顶起，滚珠推杆的定位凸棱与转动平台的定位缺口分离，使得转动平台可以自由转动。

滚珠推杆定位凸棱与定位缺口分离时，V形挡块恰好位于弹射轨道的正前方，此时V形挡块可用于接受弹射出的实验小球的正面撞击。而此时拨柱从槽轮的开槽也恰好脱离，拨盘的半月形凸台的侧边与槽轮凸角的侧边相抵触，拨盘的向前转动误差不致使槽轮继续转动，这样保证了V形挡块与弹射轨道保持在一条直线。而拨盘的下一次对槽轮的带动，又可以使下一个转动平台的V形挡块对准弹射轨道。

结合带倾角的回收轨道，可以重复弹射实验小球，以获取三个检测物的转动惯量与摆角的对应实验数据。

Claims (5)

1.转动惯量教具仪，包括底座，其特征在于在底座上安装有发射装置、摆角检测装置；

发射装置包括安装在底座上的弹射平台，在弹射平台上安装有直线滑轨和弹射轨道，在直线滑轨上安装有弹射接触器，直线滑轨上弹射接触器的后端套有发射弹簧，在其前端套有减震弹簧，在弹射接触器上固定有手柄，在弹射平台上安装有楔形卡位块，楔形卡位块与一滑杆固定连接，在弹射平台与滑杆之间安装有复位弹簧；

在弹射平台前端安装有摆角检测装置，摆角检测装置包括转动平台，转动平台通过轴承安装于底座上；在转动平台上安装有V形挡板，在转动平台的轴心处竖向安装有固定杆，在固定杆上通过单向轴承安装有摆臂，在摆臂末端固定有摆球，固定杆在摆臂的摆面上安装有摆角刻度表；在转动平台的轴心处安装有圆形转动惯量检测物。

2.如权利要求1所述的转动惯量教具仪，其特征在于若干个转动平台分别通过轴承固定在横臂上，所有横臂与一转轴固定，转轴与底座通过轴承连接；在底座上安装有拨盘，拨盘与电机连接；转动平台的转轴上固定有与拨盘配合的槽轮；拨盘分为半月形凸台和拨柱，槽轮的凸角数量与转动平台数量一致，其凸角沿辐向开设与拨柱配合的凹槽，槽轮的凸角的凹边与拨盘的半月形凸台的外圆边相抵触；在不同的转动平台轴心安装具有不同转动惯量的圆形检测物；

转动平台开设定位缺口，在定位缺口处安装有滚珠推杆，滚珠推杆与滚珠滑轨通过滑槽滑轨结构配合，滚珠滑轨安装于横臂上，在底座上固定有抬升斜块，滚珠推杆下端通过滑轮与抬升斜块接触配合；当滚珠推杆下端与上升斜块接触时，滚珠推杆的凸棱从转动平台的缺口处脱离，此时转动平台可自由转动，与此同时V形挡板恰好位于弹射轨道正前方。

3.如权利要求1所述的转动惯量教具仪，其特征在于还包括回收装置，回收装置包括安装于弹射轨道前方转动平台一侧的漏斗，在漏斗下端连接与漏斗相通的回收轨道，回收轨道另一头与一升降装置连接，回收轨道从漏斗向升降装置倾斜，通过升降装置将回收的实验小球送回弹射轨道。

4.如权利要求3所述的转动惯量教具仪，其特征在于所述的升降装置包括安装在底座上的竖直滑轨，在竖直滑轨上安装有滑块，滑块与一螺杆连接，螺杆与电机连接，滑块上设有实验小球回收容腔；当电机驱动螺杆转动，带动滑块下降到底端时，实验小球回收容腔与回收轨道处于同一平面，并且回收容腔低于回收轨道，以保证实验小球通过重力作用从回收轨道落入回收容腔；在弹射平台上固定有实验小球接收轨道，该实验小球接收轨道与升降装置的实验小球回收容腔相接，且低于回收容腔，同时实验小球的接收轨道又高于弹射轨道，可使实验小球通过重力作用落入接收轨道再落入弹射轨道。

5.如权利要求1所述的转动惯量教具仪，其特征在于所述的发射装置在弹射平台下方安装有卡块支架，用于安装复位弹簧的滑杆下端穿过卡块支架下端的通孔与一弹射拉杆固定连接。