CN106097842B - 一种刚体转动惯量演示装置及演示方法 - Google Patents

一种刚体转动惯量演示装置及演示方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种刚体转动惯量演示装置及演示方法，演示装置包括背板、实验装置和控制装置；所述实验装置安装在背板上，该实验装置包括位于背板前面的吸盘式电磁铁、钢球、平衡杆、加码件和位于背板后面的推拉式电磁铁；所述平衡杆对称设置有通孔，且平衡杆的中心位置设置有中心轴，中心轴穿过背板使平衡杆可转动地安装在背板上；所述加码件对称的放置在平衡杆通孔中，可改变整个平衡杆的重量，所述吸盘式电磁铁安装在平衡杆水平时的一端的上方；所述推拉式电磁铁设置在中心轴的下方，推拉式电磁铁的顶杆顶住穿过背板的中心轴。本发明的结构简单，使用方便，现象直观，能清晰展示刚体转动惯量的影响因素。

Description

一种刚体转动惯量演示装置及演示方法
技术领域
本发明涉及一种物理教学实验仪器，特别是涉及一种刚体转动惯量演示装置及演示方法。
背景技术
物理学是研究物质运动一般规律和物质基本结构的学科。物理实验能够清晰地展示物理现象和规律，从而达到良好的教学效果。大学物理中的刚体转动惯量部分公式复杂、概念抽象，学生不易理解。因此，直观有效的刚体转动惯量演示实验是最好的教学方式。
目前，在大学物理教学中，为了能够直观地演示影响刚体转动惯量的影响因素，人们也设计出了许多方案。如专利公告号CN202177996U公开了一种便携式刚体转动惯量教学显示仪，包括一个附有吸盘的套筒式可伸缩钢管、放置被测物体的平台、两个螺旋轨道和四个同质量的被测物体。其优点是结构简单、易于携带和操作方便。但是不方便控制变量。如专利公告号CN203786971U公开的刚体转动惯量影响因数演示仪，包括三个完全相同的有机玻璃盘、砝码安置槽、支撑轴和圆盘。其优点是方便控制变量。但是只能在水平面上演示，不便于讲台下的学生观看。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种刚体转动惯量演示装置及演示方法，其使用方便，演示形象直观，能清晰展示刚体转动惯量的影响因素。
一种刚体转动惯量演示装置，包括背板、实验装置和控制装置；所述实验装置安装在背板上，该实验装置包括位于背板前面的吸盘式电磁铁、钢球、平衡杆、加码件和位于背板后面的推拉式电磁铁；所述平衡杆对称设置有通孔，且平衡杆的中心位置设置有中心轴，中心轴穿过背板使平衡杆可转动地安装在背板上；所述加码件对称地放置在平衡杆通孔中，可改变整个平衡杆的重量，所述吸盘式电磁铁安装在平衡杆水平时的一端的上方；所述推拉式电磁铁设置在中心轴的下方，推拉式电磁铁的顶杆顶住穿过背板的中心轴；所述控制装置包括电源，电源分别与吸盘式电磁铁和推拉式电磁铁电连接。
优选地，所述实验装置的数量为两个或三个，并且各个实验装置呈同一水平线布置在背板上；各个吸盘式电磁铁的同一位置设置有定位点，定位点用于指定钢球的吸附位置，且各个定位点到平衡杆的中心轴的水平距离相等；各个吸盘式电磁铁设置在同一电路中与电源电连接，各个推拉式电磁铁设置在同一电路中与电源电连接。
优选地，所述控制装置还包括单刀双掷开关，所述单刀双掷开关布置在吸盘式电磁铁电路、推拉式电磁铁电路和电源之间，单刀双掷开关用于单独接通吸盘式电磁铁电路或推拉式电磁铁电路。
优选地，所述平衡杆上对称布置的通孔数量为4-6组。
优选地，所述背板采用亚力克板。
优选地，所述电源的电压为5V。
优选地，所述加码件为同一规格的螺钉和螺帽。
优选地，所述平衡杆采用塑料材质或木质材质。
优选地，所述中心轴上与顶杆的接触部位为平面。
上述刚体转动惯量演示装置的演示方法是：将单刀双掷开关拨到推拉式电磁铁的电路，使推拉式电磁铁的顶杆收缩，将各个平衡杆调至水平位置；断开推拉式电磁铁的电路，推拉式电磁铁的顶杆伸出，顶住平衡杆的中心轴，保持平衡杆的水平位置；单刀双掷开关拨到吸盘式电磁铁的电路，把钢球分别布置在各个吸盘式电磁铁上的定位点；将两套螺钉螺帽对称布置在各个平衡杆上不同位置的通孔中，或将不同偶数套螺钉螺帽对称布置在各个平衡杆上的通孔中；单刀双掷开关拨到推拉式电磁铁的电路，顶杆收缩，各个平衡杆处于可转动状态，同时吸盘式电磁铁断电，磁性消失，各个钢球同时落下，给各个平衡杆一个相同的转动力矩，从而可以清晰的观察到刚体转动惯量的影响因素。
本发明的有益效果体现在：
所述平衡杆上对称设置有通孔，螺钉螺帽可对称布置在平衡杆的通孔中，若将两套螺钉螺帽对称布置在各个平衡杆上不同位置的通孔中，则各个平衡杆的质量相同，但质心分布不一样；若将不同偶数套螺钉螺帽对称布置在各个平衡杆上的通孔中，则平衡杆的质量不同；通过演示便于学者清晰地观察刚体转动惯量的影响因素。电源、吸盘式电磁铁和推拉式电磁铁通过单刀双掷开关连接，使得整个电路连接结构更为简洁，不需要反复的接通或断开吸盘式电磁铁电路或推拉式电磁铁电路；电源的电压为5V，提高了刚体转动惯量演示装置的安全性。而且，本发明的结构简单，使用方便，演示形象直观，能清晰展示刚体转动惯量的影响因素。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种刚体转动惯量演示装置的结构示意图；
图2为图1的右视图；
图3为本发明实施例提供的一种刚体转动惯量演示装置的电路原理图。
附图中，1-背板；2-实验装置，21-吸盘式电磁铁，22-钢球，23-平衡杆，24-通孔，25-中心轴，26-加码件,27-推拉式电磁铁,28-顶杆；3-控制装置，31-电源，32-单刀双掷开关
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本专利的保护范围。
如图1、图2和图3，一种刚体转动惯量演示装置包括背板1、实验装置2和控制装置3。实验装置2安装在背板1上，背板1采用亚力克板，实验装置2包括位于背板1前面的吸盘式电磁铁21、钢球22、平衡杆23、加码件26和位于背板1后面的推拉式电磁铁27。平衡杆23对称设置有通孔24，通孔24的数量为4-6组，且平衡杆23的中心位置设置有中心轴25，中心轴25穿过背板1使平衡杆23可转动地安装在背板1上。本实施例中，平衡杆23采用木质材质；当然，也可以采用塑料材质。吸盘式电磁铁21安装在平衡杆23水平时的一端的上方,推拉式电磁铁27设置在中心轴25的下方，推拉式电磁铁27的顶杆28顶住穿过背板1的中心轴25，中心轴25上与顶杆28的接触部位为平面。实验装置2的数量为三个，并且三个实验装置2呈同一水平线布置在背板1上；三个吸盘式电磁铁21设置在同一电路，三个推拉式电磁铁27设置在另一电路；三个吸盘式电磁铁21的同一位置设置有定位点，定位点用于定位钢球22，且各个定位点到平衡杆23的中心轴的水平距离相等，可保证三个演示实验的初始条件相同。本实施例中，加码件26为同一规格的螺钉和螺帽，对称的放置在平衡杆23的通孔24中，可改变整个平衡杆23的质量和质心分布。
控制装置3包括电源31和单刀双掷开关32，电源31分别与吸盘式电磁铁21和推拉式电磁铁27电连接，且单刀双掷开关32布置在吸盘式电磁铁21电路、推拉式电磁铁27电路和电源31之间，单刀双掷开关32可单独接通吸盘式电磁铁21电路或推拉式电磁铁27电路，使得整个结构更为简洁，不需要反复的接通或断开吸盘式电磁铁电路或推拉式电磁铁电路。电源的电压为5V，提高了刚体转动惯量演示装置的安全性。
上述刚体转动惯量演示装置的演示方法是：将单刀双掷开关32拨到推拉式电磁铁27的电路，使推拉式电磁铁27的顶杆28收缩，将三个平衡杆23调至水平位置；断开推拉式电磁铁27的电路，推拉式电磁铁27的顶杆28伸出，顶住平衡杆23的中心轴25，保持平衡杆23的水平位置；单刀双掷开关32拨到吸盘式电磁铁21的电路，把三个钢球22分别布置在三个吸盘式电磁铁21上的定位点；将两套螺钉螺帽对称布置在三个平衡杆23上不同位置的通孔24中，或将不同偶数套螺钉螺帽对称布置在三个平衡杆23上的通孔24中；单刀双掷开关32拨到推拉式电磁铁27的电路，顶杆28收缩，三个平衡杆23处于可转动状态，同时吸盘式电磁铁21断电，磁性消失，三个钢球22同时落下，给三个平衡杆23一个相同的转动力矩，从而可以清晰的观察到刚体转动惯量的影响因素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种刚体转动惯量演示装置，其特征在于：包括背板、实验装置和控制装置；所述实验装置安装在背板上，该实验装置包括位于背板前面的吸盘式电磁铁、钢球、平衡杆、加码件和位于背板后面的推拉式电磁铁；所述平衡杆对称设置有通孔，且平衡杆的中心位置设置有中心轴，中心轴穿过背板使平衡杆可转动地安装在背板上；所述加码件对称地放置在平衡杆通孔中，可改变整个平衡杆的重量，所述吸盘式电磁铁安装在平衡杆水平时的一端的上方；所述推拉式电磁铁设置在中心轴的下方，推拉式电磁铁的顶杆顶住穿过背板的中心轴；所述控制装置包括电源，电源分别与吸盘式电磁铁和推拉式电磁铁电连接。
2.如权利要求1所述的刚体转动惯量演示装置，其特征在于：所述实验装置的数量为两个或三个，并且各个实验装置呈同一水平线布置在背板上；各个吸盘式电磁铁的同一位置设置有定位点，定位点用于指定钢球的吸附位置，且各个定位点到平衡杆的中心轴的水平距离相等；各个吸盘式电磁铁设置在同一电路中与电源电连接，各个推拉式电磁铁设置在同一电路中与电源电连接。
3.如权利要求1或2所述的刚体转动惯量演示装置，其特征在于：所述控制装置还包括单刀双掷开关，所述单刀双掷开关布置在吸盘式电磁铁电路、推拉式电磁铁电路和电源之间，单刀双掷开关用于单独接通吸盘式电磁铁电路或推拉式电磁铁电路。
4.如权利要求1所述的刚体转动惯量演示装置，其特征在于：所述平衡杆上对称布置的通孔数量为4-6组。
5.如权利要求1所述的刚体转动惯量演示装置，其特征在于：所述背板采用亚力克板。
6.如权利要求1或2所述的刚体转动惯量演示装置，其特征在于：所述电源的电压为5V。
7.如权利要求1或2所述的刚体转动惯量演示装置，其特征在于：所述加码件为同一规格的螺钉和螺帽。
8.如权利要求1所述的刚体转动惯量演示装置，其特征在于：所述平衡杆采用塑料材质或木质材质。
9.如权利要求1所述的刚体转动惯量演示装置，其特征在于：所述中心轴上与顶杆的接触部位为平面。
10.一种用于权利要求3所述刚体转动惯量演示装置的演示方法，其特征在于：单刀双掷开关拨到推拉式电磁铁的电路，使推拉式电磁铁的顶杆收缩而与中心轴脱离，将各个平衡杆调至水平位置；断开推拉式电磁铁的电路，推拉式电磁铁的顶杆伸出，顶住平衡杆的中心轴，保持平衡杆的水平位置；单刀双掷开关拨到吸盘式电磁铁的电路，把钢球分别吸附在各个吸盘式电磁铁上的定位点；将作为加码件的两套螺钉螺帽对称布置在各个平衡杆上不同位置的通孔中，或将作为加码件的不同偶数套螺钉螺帽对称布置在各个平衡杆上的通孔中；单刀双掷开关拨到推拉式电磁铁的电路，顶杆收缩，各个平衡杆处于可转动状态，同时吸盘式电磁铁断电，磁性消失，各个钢球同时落下，给各个平衡杆一个相同的转动力矩，从而可以清晰的观察到刚体转动惯量的影响因素。
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