CN110136549A - 一种定性演示与定量测量装置 - Google Patents

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纪学忠
赵龙
王忠宝
林雪松
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Abstract

本发明公开了一种定性演示与定量测量装置，包括底座、转轴、位于转轴的两侧旋转臂；所述转轴的轴向方向上开设有滑槽，滑槽内设有在滑槽中上下滑动的滑块；滑块和旋转臂之间连接有推拉臂；所述旋转臂的端部设有沿旋转臂的长度方向进行移动的配重块。本发明通过改变配重块在旋转臂的不同位置可改变系统的转动惯量；通过移动滑槽内的滑块沿滑槽上下移动，推拉臂带动旋转臂及配重块上下运动，可验证系统的角动量守恒；系统转动起来以后，系统的转动速度会越来越慢，可验证摩擦力矩的存在；通过遮光片和数字毫秒计，可以定量计算出系统转动惯量、定量验证不同运动状态(转动速度)系统角动量是否守恒及定量计算出系统受到摩擦力矩等物理量的值。

Description

一种定性演示与定量测量装置
技术领域
本发明属于物理演示实验装置的技术领域，尤其涉及一种定性演示与定量测量装置。
背景技术
物理学本身就是一门以实验为基础的学科，尤其是在初中、高中以及大学理工科基础物理教学中实验起到非常重要的作用。虽然现在各种实验的视频非常多，但还有没有现场动手实际操作验证更能激发学生的兴趣。
因此，有必要设计一种转动惯量、角动量守恒、摩擦力矩的定性演示与定量测量装置。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种定性演示与定量测量装置，能够实际操作验证转动惯量、角动量守恒和摩擦力矩。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种定性演示与定量测量装置，包括底座、竖直插入到所述底座中并能自由转动的转轴、位于所述转轴的两侧并铰接于转轴底部的旋转臂；
所述转轴的轴向方向上开设有滑槽，所述滑槽内设有在滑槽中上下滑动的滑块；
所述滑块和旋转臂之间连接有推拉臂，用于带动旋转臂绕旋转臂与转轴的铰接点进行转动；
所述旋转臂的端部设有沿旋转臂的长度方向进行移动的配重块。
可选的，所述推拉臂的两端分别铰接在所述滑块和旋转臂上。
进一步的，所述推拉臂与所述旋转臂的铰接点位于所述旋转臂的中间位置。
可选的，所述转轴上设有可通过与数字毫秒计相连的光电门的遮光片遮光片。
由上，本发明的定性演示与定量测量装置通过改变配重块在旋转臂的不同位置可改变系统的转动惯量；通过移动滑槽内的滑块沿滑槽上下移动，推拉臂带动旋转臂及配重块上下运动，可验证系统的角动量守恒；系统转动起来以后，系统的转动速度会越来越慢，可验证摩擦力矩的存在。通过遮光片和数字毫秒计，可以定量计算系统转动惯量、定量验证不同运动状态(转动速度)系统角动量是否守恒及定量计算系统受到摩擦力矩的大小。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明优选实施例的定性演示与定量测量装置的示意图一；
图2为本发明优选实施例的定性演示与定量测量装置的示意图二；
图3为本发明优选实施例的定性演示与定量测量装置的示意图三。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
如图1-3所示，本发明提供的定性演示与定量测量装置，包括底座1、转轴2、销钉3、旋转臂4，13、销钉5，12、配重块6，11、滑块8、滑槽9、推拉臂7，10、遮光片14，所述转轴2竖直插入底座1中，并能自由转动，在转轴2上沿轴向开滑槽9，滑块8设置在滑槽9中并能在滑槽内上下滑动。在转轴2上距底座1与滑槽9之间钻有一孔，销钉3穿过旋转臂4的一端、旋转臂13的一端、转轴2上的孔将旋转臂4，13铰接在所述转轴2上，旋转臂4和旋转臂13分别位于转轴2的两侧。另外，配重块6设在旋转臂4的另一端，并能沿旋转臂4的长度方向移动，配重块11设在旋转臂13的另一端，并能沿旋转臂13的长度方向移动。遮光片14固定在转轴2上，并可通过与数字毫秒计相连的光电门，以便得出遮光片14的瞬时角速度。
推拉臂7，10连接在滑块8和旋转臂4，13之间，其中，推拉臂7的一端通过销钉5与旋转臂4铰接，推拉臂10的一端通过销钉12与旋转臂13铰接，推拉臂7和推拉臂10的另一端均铰接在滑块8上。
优选的，旋转臂4，13的中间位置通过销钉5，12与推拉臂7，10相连。
参考图1和图2，本发明可定性验证配重块位置不同，系统的转动惯量不同。配重块6，11在旋转臂4，13上对称移动时，可以观察到两种情况下的转速明显不同。说明两种情况下的系统的转动惯量不同。
参考图1和图3，本发明可定性验证系统的角动量守恒，当系统转动时，由图1迅速向上拉动滑块8，系统由图1变化为图3过程中，明显观察到系统的转动速度迅速变快。说明系统在图1状态和图3状态中的角动量相同，即系统的角动量守恒。
参考图1，定量测量某一状态的摩擦力矩，将遮光片14置于光电门之间，利用数字毫秒计测量出相邻两次遮光片14经过光电门时的瞬时角速度，由公式(为末状态的角速度，为初状态的角速度，β为角加速度，θ为转过的角度)，可求出角加速度β，进而由公式M＝Jβ(M为摩擦力矩，J为系统的转动惯量，β为角加速度)，可定量求出摩擦力矩M。
本发明的定性演示与定量测量装置结构合理，通过改变配重块6，11在旋转臂4，13的不同位置，可以观察到在相同旋转力矩作用下，转轴2的转速明显不同，说明系统的转动惯量不同；当转轴2转动起来后，通过滑块8在滑槽9内上下运动，推拉臂7，10带动旋转臂4，13及配重块6，11上下运动，使旋转臂4，13及配重块6，11离转轴2的水平距离发生变化，可以观察到系统的转动速度(角速度)明显变化，说明系统的角动量守恒；系统转动起来以后，系统的转动速度会越来越慢，说明有摩擦力矩存在。当遮光片14通过与数字毫秒计相连的光电门时，选择数字毫秒计的不同功能，可以定量测量出系统转动惯量、系统角动量及系统受到的摩擦力矩等的物理量。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种定性演示与定量测量装置，其特征在于，包括底座(1)、竖直插入到所述底座(1)中并能自由转动的转轴(2)、位于所述转轴(2)的两侧并铰接于转轴底部的旋转臂(4，13)；
所述转轴(2)的轴向方向上开设有滑槽(9)，所述滑槽(9)内设有在滑槽(9)中上下滑动的滑块(8)；
所述滑块(8)和旋转臂(4，13)之间连接有推拉臂(7，10)，用于带动旋转臂(4，13)绕旋转臂(4，13)与转轴(2)的铰接点进行转动；
所述旋转臂(4，13)的端部设有沿旋转臂(4，13)的长度方向进行移动的配重块(6，11)。
2.如权利要求1所述的定性演示与定量测量装置，其特征在于，所述推拉臂(7，10)的两端分别铰接在所述滑块(8)和旋转臂(4，13)上。
3.如权利要求2所述的定性演示与定量测量装置，其特征在于，所述推拉臂(7，10)与所述旋转臂(4，13)的铰接点位于所述旋转臂(4，13)的中间位置。
4.如权利要求1所述的定性演示与定量测量装置，其特征在于，所述转轴(2)上设有可通过与数字毫秒计相连的光电门的遮光片(14)。
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