CN105405340B - 一种角动量守恒演示与定量测定实验仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种角动量守恒演示与定量测定实验仪，自上而下依次包括上轮盘、圆形小电机、空心转筒、下轮盘、中心转轴、支撑柱和底座；所述上轮盘、圆形小电机、空心转筒和下轮盘相互连接固定；所述中心转轴、支撑柱和底座相互连接固定；中心转轴和空心转筒相互配合活动连接；所述支撑柱外围套设有电机供电内圆环和电机供电外圆环；所述电机供电外圆环、电机供电内圆环上方分别通过外圆环导电刷和内圆环导电刷接触滑动导电，外圆环导电刷和内圆环导电刷固定在下轮盘上，其终端通过引线紧贴空心转筒外壁向上接入圆形小电机。本发明的有益效果是：导电刷在内外圆环上接触滑动传导电流为电机供电，内外圆环导电刷结构的巧妙设计。

Description

一种角动量守恒演示与定量测定实验仪
技术领域
本发明涉及实验仪，尤其是涉及一种角动量守恒演示与定量测定实验仪。
背景技术
目前，所有实验室或市面销售的角动量守恒演示仪，无非三种类型：其一，手推式，即是用手将手握柄拉下时，转动连杆与钢球距转轴距离最大(状态1)，人为让转动连杆与钢球快速转动，然后，用手抓住握柄上推，使转动连杆与钢球距转轴距离减小(状态2)，状态1较状态2转动系统转动惯量大，由于转动系统合外力矩为零，角动量守恒，所以末状态(状态2)转动系统角速度增大，即转速加快；其二，演示角动量守恒的方法是，一人坐在椅子上两只手拿上哑铃，让椅子转动起来，通过伸缩两只拿着哑铃手的臂来演示椅子转动的快慢，即若两只臂伸展转动变慢，两只手臂缩回转动加块；第三：一人站在一能够自由转动的转盘上，手举以能够自由转动的转轮，然后，转动被举起的转轮，自由转盘就会产生与转轮转动方向相反的转动。如上三种均为演示实验仪，且均为被动演示，目前还没有既可以演示，又能定量测量来证明角动量守恒的实验仪器。本发明就是一种既可以通过演示，又能够定量测量来证明角动量守恒的实验仪器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足,提供一种结构合理的角动量守恒演示与定量测定实验仪。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
角动量守恒演示与定量测定实验仪，自上而下依次包括上轮盘、圆形小电机、空心转筒、下轮盘、中心转轴、支撑柱和底座；所述上轮盘、圆形小电机、空心转筒和下轮盘相互连接固定；所述中心转轴、支撑柱和底座相互连接固定；中心转轴和空心转筒相互配合活动连接；所述支撑柱外围套设有电机供电内圆环和电机供电外圆环；所述电机供电外圆环、电机供电内圆环上方分别通过外圆环导电刷和内圆环导电刷接触滑动导电，外圆环导电刷和内圆环导电刷固定在下轮盘上，其终端通过引线紧贴空心转筒外壁向上接入圆形小电机。
作为优选：所述底座上还固定安装有检测下轮盘转速的光电门。
作为优选：所述外圆环导电刷或内圆环导电刷包括内空心柱、外套空心柱和刷头，所述内空心柱和外套空心柱相互配合并设有弹簧。
本发明的有益效果是：
1、目前国内外还没有“角动量守恒演示与定量测定实验仪”这样的实验仪器；
2、采用了上轮盘套接于圆形小电机转轴上，圆形小电机带动上轮盘转动；
3、空心转筒上下端分别内固接在上下轮轴外圈，圆形小电机固接在空心转筒上端，下转盘固接在空心转筒外圈，空心转筒、上下轮轴外圈，下轮盘与圆形小电机(含上轮盘)固接成一整体结构，上下轮轴内圈与中心转轴固定；根据角动量守恒定律，使之，圆形小电机带动上轮盘沿一个方向转动，空心转筒、下轮盘、上下轮轴外圈与圆形小电机(含上轮盘)整体就会沿着与上轮盘转动相反的方向转动。
4、在底座上设置内外圆环供电，内外圆环导电刷随下轮盘转动，导电刷在内外圆环上接触滑动传导电流为电机供电，电控箱可为圆形小电机设置转速(显示屏显示)以及采用光电门获得下轮盘转速(显示屏显示)；
5、内外圆环导电刷结构的巧妙设计。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是底座示意图；
图3是本发明内部结构示意图；
图4是转轴与空心转筒连接内部结构示意图；
图5是空心转筒上轮轴及转轴转筒截面图；
图6是空心转筒下轮轴及转轴转筒截面图；
图7是光电门与内外圆环供电结构示意图；
图8是外圆环导电刷或内圆环导电刷结构透视图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
如图3所示为本发明内部结构示意图。1、底座，1-2、支撑柱，2、光电门，3、下轮盘，4、空心转筒，5中心转轴，5-1、下轮轴，5-2、上轮轴，6、圆形小电机，7、上轮盘(电机转盘)，8、电控箱，9、电机供电外圆环，10、电机供电内圆环，9-1、外圆环导电刷，10-1、内圆环导电刷，11、供电接收总电缆，11-1、光电门与内外供电圆环总线，11-2、电机供电线。
如图4所示为转轴与空心转筒连接整体结构示意图。1-2、空心转筒支撑柱，9-1、外圆环电刷，10-1、内圆环电刷，3、下轮盘，11-2、电机供电线，4、空心转筒，5转轴，5-1、下轮轴，5-2、上轮轴。
如图5至图6所示为空心转筒上下轮轴及转轴转筒截面。4、空心转筒，5、中心转轴，5-1、下轮轴，5-11、下轮轴内圈，5-12、下轮轴外圈，5-2、上轮轴，5-21、上轮轴内圈，5-22、上轮轴外圈。
如图7所示为光电门与内外圆环供电系统。1、底座，2、光电门，3、下轮盘，9、电机供电外圆环，9-1、电机供电外圆环导电刷，9-10、电机供电外圆环支腿，10、电机供电内圆环，10-1、电机供电内圆环导电刷，10-10、电机供电内圆环支腿，11、总传输线，11-0、光电门传输线，11-2、电机供电线。
如图8所示为内外圆环导电刷。100、导线，110、与下轮盘固定端，120、弹簧，130、内空心柱，140、外套空心柱，150、刷头。
本实施例的连接结构为：底座1下设置三个调平腿，底座上固定安装光电门2、空心转筒4等转动系统支撑柱1-2与电机6供电内外圆环10-1、9-1支腿10-10、9-10，如图3和图7所示；支撑柱1-2与中心转轴5及、下轮轴5-1、上轮轴5-2为一体，如图2所示；光电门传输线11-0通过底座盘面途径电缆11引至电控箱8，如图7所示；电机供电外圆环9固定在两支腿9-10上、电机供电内圆环10固定在两支腿10-10上，电机供电内外圆环支腿均采用不导电绝缘胶木材料制成，内外圆环导电线分别从靠右支腿与内外环下部连接，通过引线11-1途径电缆11引入电控箱8，如图3所示；电机供电外圆环9、电机供电内圆环10上方分别通过外圆环导电刷9-1和内圆环导电刷10-1接触滑动导电，刷头150随下轮盘3转动，其终端通过引线11-2紧贴空心转筒4外壁向上接入圆形小电机6，如图3和图8所示；空心转筒4、上下轮轴5-2、5-1外圈、下轮盘3与圆形小电机6含电机转盘(上轮盘)6-1为一整体，如图3和图4所示；所用内外圆环导电刷上端110与下轮盘3固定，导线100上端通过引线11-2接入圆形小电机6，导线100通过内空心柱130进入外套空心柱140，导线100始端与刷头150相连，圆环导电刷随下轮盘3转动，刷头150与电机供电内外环10、9紧密接触滑动，为了保证能紧密接触滑动，在固定端110与外套空心柱140终端间安装有刚性弹簧120，如图8所示；空心转筒4下端内固接下轮轴5-1外圈5-12，外固接下轮盘3，空心转筒4上内固接上轮轴5-2外圈5-22，空心转筒4上端固接圆形小电机6，圆形小电机6轴承6-1上套接上轮盘7，如图3和图4所示；空心转筒4、上下轮轴5-2、5-1外圈5-22、5-12、下轮盘3与圆形小电机6含上轮盘7为一整体结构，立于支撑柱1-2之上，套接于中心转轴5的下轮轴5-1和上轮轴5-2之外，中心转轴5外固接于上下轮轴5-2、5-1内圈5-21、5-11，如图3、图4、图5和图6所示；所用光电门会把下轮盘以上整体转动信息传输到电控箱8，并经显示屏显示出转速，通过电控箱8按钮可以设置圆形小电机6转速，该转速也可通过电控箱8显示屏8-5显示出来。
本实施例操作步骤：
1、调平底座，准备好实验仪器；
2、接通电控箱电源，为圆形小电机设置转速，开启圆形小电机带动上轮盘转动；
3、随后就可以看到下轮盘、空心转筒、上下轮外圈、与圆形小电机(含上轮盘)整体会沿着与上轮盘转动方向相反的方向转动；下轮盘上的挡光杆通过光电门挡光，并将转动信息传输至控制箱，在荧光屏上显示出下轮盘以上整体的转速；
4、设圆形小电机转速n1，则角速度ω1＝2πn1，上轮盘绕中心转动惯量I1，圆形小电机围绕中心轴转动惯量I2，空心转筒围绕中心轴转动惯量I3，上下轮轴外圈围绕中心轴转动惯量I4，下轮盘围绕中心轴转动惯量I5，则下轮盘以上整体围绕中心轴转动惯量为I＝I1+I2+I3+I4+I5，若光电门测得下轮盘以上整体转速为n(可从控制箱显示屏上读出)，则角速度ω＝2πn，分别计算上轮盘角动量I1ω1与下轮盘以上整体角动量Iω；
5、由于转动系统合外力矩为零，根据计算结果，如果I1ω1≈Iω，则就是通过该实验仪定量测量，证明了角动量守恒定律是成立的。

Claims (3)

1.一种角动量守恒演示与定量测定实验仪，其特征在于：自上而下依次包括上轮盘、圆形小电机、空心转筒、下轮盘、中心转轴、支撑柱和底座；所述上轮盘、圆形小电机、空心转筒和下轮盘相互连接固定；所述中心转轴、支撑柱和底座相互连接固定；中心转轴和空心转筒相互配合活动连接；所述支撑柱外围套设有电机供电内圆环和电机供电外圆环；所述电机供电外圆环、电机供电内圆环上方分别通过外圆环导电刷和内圆环导电刷接触滑动导电，外圆环导电刷和内圆环导电刷固定在下轮盘上，其终端通过引线紧贴空心转筒外壁向上接入圆形小电机。
2.根据权利要求1所述的角动量守恒演示与定量测定实验仪，其特征在于：所述底座上还固定安装有检测下轮盘转速的光电门。
3.根据权利要求1所述的角动量守恒演示与定量测定实验仪，其特征在于：所述外圆环导电刷或内圆环导电刷包括内空心柱、外套空心柱和刷头，所述内空心柱和外套空心柱相互配合并设有弹簧。
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