CN201498118U - 一种轻型角动量守恒演示仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种便携式角动量守恒的演示仪器，其特征在于在一个采用轴承(3)旋转的转盘底座(2)上固定两根光滑的金属杆(1)，将两个由轻弹簧(4)和金属环(5)构成的弹簧谐振子套在金属杆(1)上，弹簧振子的一端固定在转盘的轴承(3)处。本实用新型的演示仪利用弹簧振子的振动达到改变系统转动惯量的目的，整个装置原理直观，体积小便于携带，非常适合随堂演示，本装置不但能演示了角动量守恒定律还能演示了转动惯量与质量分布的关系。此外通过改变弹簧的劲度系数和金属环的质量，还可以演示弹簧谐振子的振动周期(频率)与弹簧的劲度系数及振子质量的关系。简言之，本装置具有演示效果直观，体积小质量轻，成本低，制作工艺简单的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及物理教学仪器，具体地说是一种能直观演示刚体转动惯量与质量分布有关及其角动量守恒的轻型角动量守恒演示仪。
背景技术
在大学物理角动量守恒演示实验中，通常采用茹科夫转椅来演示当系统受到外力矩为零时，系统的角动量守恒。这种仪器体积较大，演示时需要一定的空间，不便于带到课堂上做随堂演示。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种既小巧轻便又直观易懂的角动量守恒演示仪器。
本实用新型的技术方案为：在一个采用轴承旋转的转盘底座上固定两根光滑的金属杆，将两个由轻弹簧和金属环构成的弹簧谐振子套在金属杆上，弹簧振子的一端固定在转盘的轴承处。
只要用力轻轻拨动金属杆，由金属杆和弹簧振子组成的系统就可以在摩擦力几乎为零(因为轴承处摩擦力很小)的情况下旋转起来。在转动开始时压缩弹簧振子，由于弹簧振子开始被压缩，因此系统一面做圆周运动，同时弹簧振子又做径向的简谐振动，由于转轴处的摩擦力可忽略，弹簧振子和金属杆之间的摩擦力为内力，系统受到的外力矩近似为零，系统的角动量近似守恒。当弹簧振子的金属环离转轴最近时，系统的转动惯量最小，因此角速度最大，当金属环运动到离转轴最远时，系统由于质量分布最远，系统的转动惯量最大，因此转速最慢，只要选取劲度系数足够小的弹簧，金属环的质量又比较大，则弹簧振子的谐振频率就可以很低，这样系统转动的角速度的变化频率也很低，人眼就很容易观察到角速度快慢变化。
本实用新型的演示仪主要有以下特点：利用弹簧振子的振动达到改变系统转动惯量的目的，整个装置原理直观，体积小便于携带，非常适合随堂演示，本装置不但能演示了角动量守恒定律还能演示了转动惯量与质量分布的关系。此外通过改变弹簧的劲度系数和金属环的质量，还可以演示弹簧谐振子的振动周期(频率)与弹簧的劲度系数及振子质量的关系。简言之，本装置具有演示效果直观，体积小质量轻，成本低，制作工艺简单的特点。
附图说明
图1是本实用新型的演示仪的主视图；
图2是本实用新型的演示仪的俯视图。
图中，1-金属杆，2-转盘底座，3-轴承，4-弹簧，5-金属环。
具体实施方式
如图1、图2所示，该装置由采用轴承3旋转的转盘底座2、两根光滑的金属杆1，和两个轻弹簧4和两个金属环5组成。在采用轴承3旋转的转盘底座2上固定两根光滑的金属杆1，将两个由轻弹簧4和金属环5构成的弹簧谐振子套在光滑金属杆1上，弹簧振子的一端固定在转盘的轴承3处。利用弹簧振子的简谐振动就可以改变转动系统的质量分布，进而改变系统转动惯量，达到演示系统角动量守恒的目的。选择劲度系数较小的弹簧4，同时适当选取质量较大的金属环5(振子的质量)，就可以获得人眼很容易观察到系统转动角速度的周期性的变化。
本实用新型的工作原理如下：
在转动开始时压缩弹簧振子，然后施加一个外力矩，使金属杆1、弹簧4和金属环5组成的系统转动起来。由于弹簧振子开始被压缩，因此整个系统一面做绕定轴的转动，同时弹簧振子又做沿着径向的简谐振动，由于转轴处的摩擦力可忽略，弹簧振子和金属杆之间的摩擦力又是内力，金属杆1、弹簧4和金属环5组成的系统角动量近似守恒。当弹簧振子的金属环5运动到离转轴最近时，因为质量分布离轴最近，系统的转动惯量最小，因此角速度最大，此时金属环5受到的指向外的弹簧的弹性力最大，而离心力也最大，因此会向外侧运动；当金属环5距离转轴最远时，系统由于质量分布最远，系统的转动惯量最大，因此转速最慢，此时恰好弹簧向里的拉力最大，转速慢，半径大，则离心力最小，因此金属环开始向里侧运动。这样系统就会周期性的运动下去，就可以看到系统转速周期性的变化。为了让角速度的变化不至于太快而人眼无法分辨，必须使弹簧振子的频率低于一定的数值。由于弹簧谐振子的谐振频率与弹簧4的劲度系数的二分之一次方成反比，与金属环5质量的二分之一次方成正比，，只要选取劲度系数足够小的弹簧4，同时金属环5的质量选得比较大，弹簧振子的谐振频率就可以很低，人眼就很容易观察到角速度快慢变化。另一方面，金属环5的质量越大，系统的转动惯量的变化量就越大，系统转动角速度的变化就越明显，演示效果就越好。简单来说，本装置从原理上说相当于利用弹簧振子的简谐振动来代替茹科夫转椅上手持哑铃之人的手臂伸缩，因此有相同的演示效果，但却具有便携的显著优点。
Claims (1)
1.一种便携式角动量守恒的演示仪器，其特征在于在一个采用轴承(3)旋转的转盘底座(2)上固定两根光滑的金属杆(1)，将两个由轻弹簧(4)和金属环(5)构成的弹簧谐振子套在金属杆(1)上，弹簧振子的一端固定在转盘的轴承(3)处。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2009
- 2009-09-03 CN CN2009201118861U patent/CN201498118U/zh not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
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