CN107246934B - 一种可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆，属于力学实验仪器技术领域，包括支架、上盘、下盘以及三根悬线，所述支架底部固定安装有一内圆筒，所述内圆筒下端开口，上端具有筒盖，所述内圆筒的侧壁上开设有多个通气孔，所述内圆筒下端开口处连接有压气机；所述内圆筒外部套设有一外圆筒，所述外圆筒两端开口，所述压气机对所述内圆筒中的气体加压，所述内圆筒中的气体可以通过所述通气孔进入到所述内圆筒和所述外圆筒之间的间隙中，然后从所述外圆筒的上开口端和下开口端排出。本发明结构简单，既可以测量非围绕质心旋转物体的转动惯量，又可以测量围绕质心旋转物体的转动惯量，且测量效率高、测量准确度好。

Description

一种可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆
技术领域
本发明属于力学实验仪器技术领域，尤其涉及一种可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆。
背景技术
三线摆是大学物理实验中用于测量物体转动惯量实验中常用的实验仪器，现有的三线摆包括支架、上盘、下盘以及设于上盘和下盘之间的三根悬线，其中下盘用来放置待测物体，利用放置待测物体前后三线摆转动周期和质量的变化来测量待测物体的转动惯量。但是，现有的三线摆存在以下缺点：
一、现有的三线摆只能测量物体围绕质心旋转时的情况，因为物体不围绕质心旋转的时候，三线摆会产生横向的摆动，这样就破坏了三线摆的测量转动惯量的条件，所以现有的三线摆无法测量非围绕质心旋转物体的转动惯量，也不利于学生对于转动惯量的理解。
二、即便是对于测量围绕质心旋转物体的转动惯量，也由于各种原因，也容易发生横向晃动，因此在做实验时必须非常小心，但还是难以完全的避免横向晃动，既影响了测量效率，也影响了测量的准确度。
三、三线摆在工作的时候，要求转动的角度在5度以下，现有的三线摆没有转动角度的显示装置，其转动角度大小凭实验者估计掌握，不利于控制测量误差。
四、现有的三线摆，下盘的转动是由上盘驱动的，使用起来不方便。同时上盘和支架之间能相对转动，所以下盘各部分与支架之间的角度是不固定的，这样的结构不利于转动周期和转动角度测量装置的安装和使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆，结构简单，既可以测量非围绕质心旋转物体的转动惯量，又可以测量围绕质心旋转物体的转动惯量，且测量效率高、测量准确度好。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆，包括支架、上盘、下盘以及设于所述上盘和所述下盘之间的三根悬线，所述支架底部固定安装有一内圆筒，所述内圆筒下端开口，上端具有筒盖，所述内圆筒的侧壁上开设有多个通气孔，所述内圆筒下端开口处连接有压气机；
所述内圆筒外部套设有一外圆筒，所述外圆筒的内径略大于所述内圆筒的外径，所述外圆筒两端开口且固定安装于所述下盘的底部，所述内圆筒、所述外圆筒和所述下盘同轴设置；
所述压气机对所述内圆筒中的气体加压，所述内圆筒中的气体可以通过所述通气孔进入到所述内圆筒和所述外圆筒之间的间隙中，然后从所述外圆筒的上开口端和下开口端排出。
作为一种改进，所述筒盖的直径大于所述外圆筒的内径。
作为一种改进，最上端所述通气孔与最下端所述通气孔之间的高度大于所述外圆筒的高度，且所述外圆筒上下浮动范围位于所述通气孔分布范围内。
作为一种改进，所述外圆筒通过连接件与所述下盘固定安装在一起。
作为一种改进，所述上盘固定安装于所述支架上；所述三线摆还包括转动角度报警器，所述转动角度报警器包括光电开关和报警电路，所述光电开关固设在所述支架的侧面，所述下盘的侧壁上设有吸光带以及位于所述吸光带两侧的反光带，所述吸光带对应的圆心角为5°；
初始静止状态时，所述光电开关的光发射部分发射光照射在所述吸光带的中央位置，当所述下盘的转动角度超过5°时，所述光电开关的光接收部分接收从所述反光带反射的光，从而启动所述报警电路工作。
作为进一步的改进，所述三线摆还包括周期测量光电开关和与其电连接的周期计时器，所述周期测量光电开关固设在所述支架上；初始静止状态时，所述周期测量光电开关的光发射部分发射的光照射在所述吸光带和一所述反光带的交界处；当所述下盘转动时，所述周期计时器测量转动周期。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
由于三线摆设计了内圆筒、外圆筒和压气机，所述压气机对所述内圆筒中的气体加压，所述内圆筒中的气体可以通过所述通气孔进入到所述内圆筒和所述外圆筒之间的间隙中，然后从所述外圆筒的上开口端和下开口端排出，因而内圆筒和外圆筒可以形成类似空气轴承的结构，在测量物体的转动惯量时，通过气体对外圆筒进行支撑，可以有效避免下盘发生横向摆动，空气轴承的结构基本不会对下盘转动产生额外阻力，这样既可以测量非围绕质心旋转物体的转动惯量，又可以测量围绕质心旋转物体的转动惯量，大大提高了测量效率，而且测量准确度好。
本发明提供的一种可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆，结构简单，既可以测量非围绕质心旋转物体的转动惯量，又可以测量围绕质心旋转物体的转动惯量，且测量效率高、测量准确度好。
由于所述筒盖的直径大于所述外圆筒的内径，因而可以改变从内圆筒和外圆筒之间流出的气体的流动方向，使从上部流出的向上的气体变为水平流动，避免气体对下盘的冲击，进一步提高了测量准确度。
由于最上端所述通气孔与最下端所述通气孔之间的高度大于所述外圆筒的高度，且所述外圆筒上下浮动范围位于所述通气孔分布范围内，进一步提高了气体对外圆筒的支撑。
由于所述外圆筒通过连接件与所述下盘固定安装在一起，通过连接件方便了外圆筒和下盘的连接。
由于所述三线摆还包括转动角度报警器，这样可以防止测量中出现转动角度过大的问题，进一步提高了测量的精度；由于所述上盘固定安装于所述支架上，因而上盘和支架之间不能相对转动，由于类似空气轴承结构的存在，所以可以直接用手操作下盘转动，提高了使用的方便性，并且可以防止吸光带和光电开关的相对位置的变动，达到精确控制转动角度的目的。
由于所述三线摆还包括周期测量光电开关和与其电连接的周期计时器，因而可以方便的测量转动周期。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是图1中内圆筒的结构示意图；
图中：1-支架，2-上盘，3-下盘，31-吸光带，32-反光带，4-悬线，5-内圆筒，51-筒盖，52-通气孔，6-外圆筒，7-连接件，8-转动角度报警器，81-光电开关，82-报警电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2共同所示，一种可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆，包括支架1、上盘2、下盘3以及设于上盘2和下盘3之间的三根悬线4，支架1底部固定安装有一内圆筒5，内圆筒5下端开口，上端具有筒盖51，内圆筒5的侧壁上开设有多个通气孔52，内圆筒5下端开口处连接有压气机(图中未示出)。
内圆筒5外部套设有一外圆筒6，外圆筒6的内径略大于内圆筒5的外径，外圆筒6两端开口且固定安装于下盘3的底部，为了方便外圆筒6和下盘3的连接，在本实施例中，外圆筒6通过连接件7与下盘3固定安装在一起，内圆筒5、外圆筒6和下盘3同轴设置。
压气机对内圆筒5中的气体加压，内圆筒5中的气体可以通过通气孔52进入到内圆筒5和外圆筒6之间的间隙中，然后从外圆筒6的上开口端和下开口端排出。
这样，内圆筒5和外圆筒6可以形成类似空气轴承的结构，在测量物体的转动惯量时，通过气体对外圆筒6进行支撑，可以有效避免下盘3发生横向摆动，空气轴承的结构基本不会对下盘3转动产生额外阻力，因此既可以测量非围绕质心旋转物体的转动惯量，又可以测量围绕质心旋转物体的转动惯量，大大提高了测量效率，而且测量准确度好。
为了进一步提高测量的准确度，筒盖51的直径大于外圆筒6的内径，这样可以改变从内圆筒5和外圆筒6之间流出的气体的流动方向，使从上部流出的向上的气体变为水平流动，避免气体对下盘3的冲击。
优选的，最上端通气孔与最下端通气孔之间的高度大于外圆筒6的高度，且外圆筒6上下浮动范围位于通气孔52分布范围内，进一步提高了气体对外圆筒6的支撑。
为了防止测量中出现转动角度过大，进一步提高测量的精度，优选的，上盘2固定安装于支架1上；该三线摆还包括转动角度报警器8，转动角度报警器8包括光电开关81和报警电路82，光电开关81固设在支架1的侧面，下盘3的侧壁上设有吸光带31以及位于吸光带31两侧的反光带32，吸光带31对应的圆心角为5°。
初始静止状态时，光电开关81的光发射部分发射光照射在吸光带31的中央位置，在测量时，当下盘3的转动角度超过5°时，光电开关81的光接收部分接收从反光带32反射的光，从而启动报警电路82工作。
上述上盘2和支架1之间不能相对转动，由于类似空气轴承结构的存在，所以可以直接用手操作下盘3转动，提高了使用的方便性，并且可以防止吸光带31和光电开关81的相对位置的变动，达到精确控制转动角度的目的。
为了方便测量转动周期，三线摆还包括周期测量光电开关(图中未示出)和与其电连接的周期计时器(图中未示出)，周期测量光电开关固设在支架1上；初始静止状态时，周期测量光电开关的光发射部分发射的光照射在吸光带31和一所述反光带32的交界处；当下盘3转动时，周期计时器测量转动周期。
具体的，在下盘3转动后，若周期测量光电开关的光发射部分发射的光照射在反光带32和吸光带31的交界处时，周期测量光电开关会产生脉冲信号，周期测量计时器利用这些脉冲信号测量转动周期。
需要说明的是，上述报警电路82为本领域的公知技术，例如可以采用指示灯或者蜂鸣器的方式进行报警等等，其具体结构为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
本发明提供的一种可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆，结构简单，既可以测量非围绕质心旋转物体的转动惯量，又可以测量围绕质心旋转物体的转动惯量，且测量效率高、测量准确度好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆，包括支架、上盘、下盘以及设于所述上盘和所述下盘之间的三根悬线，其特征在于，所述支架底部固定安装有一内圆筒，所述内圆筒下端开口，上端具有筒盖，所述内圆筒的侧壁上开设有多个通气孔，所述内圆筒下端开口处连接有压气机；
所述内圆筒外部套设有一外圆筒，所述外圆筒的内径略大于所述内圆筒的外径，所述外圆筒两端开口且固定安装于所述下盘的底部，所述外圆筒通过连接件与所述下盘固定安装在一起，所述内圆筒、所述外圆筒和所述下盘同轴设置；
所述压气机对所述内圆筒中的气体加压，所述内圆筒中的气体可以通过所述通气孔进入到所述内圆筒和所述外圆筒之间的间隙中，然后从所述外圆筒的上开口端和下开口端排出。
2.根据权利要求1所述的可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆，其特征在于，所述筒盖的直径大于所述外圆筒的内径。
3.根据权利要求1所述的可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆，其特征在于，最上端所述通气孔与最下端所述通气孔之间的高度大于所述外圆筒的高度，且所述外圆筒上下浮动范围位于所述通气孔分布范围内。
4.根据权利要求1或2或3所述的可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆，其特征在于，所述上盘固定安装于所述支架上；所述三线摆还包括转动角度报警器，所述转动角度报警器包括光电开关和报警电路，所述光电开关固设在所述支架的侧面，所述下盘的侧壁上设有吸光带以及位于所述吸光带两侧的反光带，所述吸光带对应的圆心角为5°；
初始静止状态时，所述光电开关的光发射部分发射光照射在所述吸光带的中央位置，当所述下盘的转动角度超过5°时，所述光电开关的光接收部分接收从所述反光带反射的光，从而启动所述报警电路工作。
5.根据权利要求4所述的可以测量非围绕质心旋转物体转动惯量的三线摆，其特征在于，所述三线摆还包括周期测量光电开关和与其电连接的周期计时器，所述周期测量光电开关固设在所述支架上；初始静止状态时，所述周期测量光电开关的光发射部分发射的光照射在所述吸光带和一所述反光带的交界处，当所述下盘转动时，所述周期计时器测量转动周期。
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