CN205827735U - 一种电机驱动式角动量守恒演示仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种电机驱动式角动量守恒演示仪，属于大学物理实验演示仪器技术领域。该演示仪由外部结构和内部结构组成，外部结构的演示仪底座顶端设有能旋转的旋转轴，旋转轴上侧水平设有两端对称的伸缩臂，伸缩臂依次由安装在旋转轴上的推杆直线电机安装座、杆直线电机、质量球连接组成，演示仪底座侧面端面设有读数显示屏、伺服电机启停按钮Ⅰ、伺服电机启停按钮Ⅱ和伺服电机启停按钮Ⅲ，演示仪底座底部一侧设有外接电源线，旋转轴连接内部结构的伺服电机，内部结构的控制电路板分别与杆直线电机、伺服电机、读数显示屏、伺服电机启停按钮Ⅰ、伺服电机启停按钮Ⅱ、伺服电机启停按钮Ⅲ和外接电源线连接。该演示仪具有实验数据实时输出功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电机驱动式角动量守恒演示仪，属于大学物理实验演示仪器技术领域。
背景技术
目前，在大学物理课堂教学中，涉及角动量守恒演示实验时，通常采用茹科夫转椅来演示当转动系统受到的外力矩为零时，转动系统的角动量守恒，但是，由于茹科夫转椅体积较大，教学时不便于带到课堂上做演示，而且在实验演示中，需要人体坐在转椅上，靠手持重物手臂伸缩调节质量分布来达到实验演示效果，存在一定的安全隐患，此外，演示效果只能通过观察转动的快慢现象来认识，使人们对角动量守恒理解不够深刻，而教学实践中要求有更深入直观的实验演示仪器。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种电机驱动式角动量守恒演示仪。该演示仪具有实验数据实时输出功能、旋转系统由电机驱动、操控方便、环保安全、直观易懂等特点，能深刻地演示角动量守恒的特征，本实用新型通过以下技术方案实现。
一种电机驱动式角动量守恒演示仪，由外部结构和内部结构组成，外部结构包括质量球、直线电机推杆、杆直线电机、推杆直线电机安装座、旋转轴51、读数显示屏61、伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72、伺服电机启停按钮Ⅲ73、外接电源线111和演示仪底座121，内部结构包括安装在演示仪底座121内部的伺服电机91和控制电路板101，演示仪底座121顶端设有能旋转的旋转轴51，旋转轴51上侧水平设有两端对称的伸缩臂，伸缩臂依次由安装在旋转轴51上的推杆直线电机安装座、杆直线电机、质量球连接组成，演示仪底座121侧面端面设有读数显示屏61、伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72和伺服电机启停按钮Ⅲ73，演示仪底座121底部一侧设有外接电源线111，旋转轴51连接伺服电机91，控制电路板101分别与杆直线电机、伺服电机91、读数显示屏61、伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72、伺服电机启停按钮Ⅲ73和外接电源线111连接。
所述旋转轴51通过内部的滚动轴承131、外部的滚动轴承外圈压环141和滚动轴承座151安装在演示仪底座121上。
所述直线电机推杆通过螺纹与质量球可拆卸的连接。
所述旋转轴51内部设有与杆直线电机连接的穿线孔Ⅲ83，演示仪底座121内部设有与读数显示屏61、伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72和伺服电机启停按钮Ⅲ73连接的穿线孔Ⅰ81、穿线孔Ⅱ82。
所述旋转轴51和穿线孔Ⅲ83底部设有导电圆环，导电圆环与固定在演示仪底座121上的导电刷头连接，导电刷头与控制电路板101连接。
所述穿线孔Ⅰ81、穿线孔Ⅱ82中的电线与控制电路板101连接。
所述伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72、伺服电机启停按钮Ⅲ73分别为正转按钮、反转按钮和开始/停止按钮。
该电机驱动式角动量守恒演示仪的使用方法为：
将质量球与直线电机推杆连接，外接电源线111连通电源，用手指触动伺服电机启动按钮开启伺服电机91带动旋转轴51旋转，待旋转轴51达到设定的转速后，控制电路板101发出控制指令使伺服电机91断电，伺服电机91断电后随旋转轴51在惯性力的作用下继续旋转，由于伺服电机91选用高性能的空心伺服电机和轴承选用高精度精密级系列的滚动轴承131，所产生的摩擦力很小，可以忽略不计，此时转动系统受到的外力矩近似为零，转动系统的角动量近似守恒；控制电路板101指令伺服电机91断电的同时也开始发出控制指令，使杆直线电机通电，使伸缩臂（直线电机推杆）按一定的时间规律做伸缩运动；当质量球在伸缩臂（直线电机推杆）的作用下，离旋转轴的距离最近时，系统的转动惯量最小，因此旋转轴的转速最大，当质量球在伸缩臂（直线电机推杆）的作用下，离旋转轴的距离最远时，系统的转动惯量最大，因此旋转轴的转速最小，由此验证角动量守恒定律。上述实施的旋转轴51的实时转速和直线电机推杆的压缩量能在读数显示屏读出。
本实用新型的有益效果是：在旋转轴自由转动时，利用控制电路板控制推杆直线电机的伸缩臂（直线电机推杆）按一定的时间规律做伸缩运动,使质量球与旋转轴的距离在特定的时间内按要求发生变化，达到改变系统转动惯量的目的；人们可以通过观察旋转轴角速度的快慢变化来得出实验结论外，更可以通过读数显示屏读出实时输出显示的实验数据，由此观察记录实验结果；本演示仪外观设计美观大方，方案易行，结构简单，环保安全，操控方便，能直观深刻地反映角动量守恒的物理原理，实验效果明显，便于推广。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意轴测图；
图2是本实用新型结构示意主视图；
图3是本实用新型结构示意俯视图；
图4是本实用新型结构示意左视图；
图5是本实用新型结构示意全剖视图；
图6是本实用新型结构示意局部放大视图。
图中：11-质量球Ⅰ，12-质量球Ⅱ，21-直线电机推杆Ⅰ，22-直线电机推杆Ⅱ，31-杆直线电机Ⅰ，32-杆直线电机Ⅱ，41-推杆直线电机安装座Ⅰ，42-推杆直线电机安装座Ⅱ，51-旋转轴，61-读数显示屏，71-伺服电机启停按钮Ⅰ，72-伺服电机启停按钮Ⅱ，73-伺服电机启停按钮Ⅲ，81-穿线孔Ⅰ，82-穿线孔Ⅱ，83-穿线孔Ⅲ，91-伺服电机，101-控制电路板，111-外接电源线，121-演示仪底座，131-滚动轴承，141-滚动轴承外圈压环，151-滚动轴承座，161-导电刷头Ⅰ，162-导电刷头Ⅱ，171-导电圆环Ⅰ，172-导电圆环Ⅱ，181-滚动轴承压紧螺母。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
实施例1
该电机驱动式角动量守恒演示仪，由外部结构和内部结构组成，外部结构包括质量球、直线电机推杆、杆直线电机、推杆直线电机安装座、旋转轴51、读数显示屏61、伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72、伺服电机启停按钮Ⅲ73、外接电源线111和演示仪底座121，内部结构包括安装在演示仪底座121内部的伺服电机91和控制电路板101，演示仪底座121顶端设有能旋转的旋转轴51，旋转轴51上侧水平设有两端对称的伸缩臂，伸缩臂依次由安装在旋转轴51上的推杆直线电机安装座、杆直线电机、质量球连接组成，演示仪底座121侧面端面设有读数显示屏61、伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72和伺服电机启停按钮Ⅲ73，演示仪底座121底部一侧设有外接电源线111，旋转轴51连接伺服电机91，控制电路板101分别与杆直线电机、伺服电机91、读数显示屏61、伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72、伺服电机启停按钮Ⅲ73和外接电源线111连接。
实施例2
如图1至6所示，该电机驱动式角动量守恒演示仪，由外部结构和内部结构组成，外部结构包括质量球（质量球Ⅰ11和质量球Ⅱ12）、直线电机推杆（直线电机推杆Ⅰ21和直线电机推杆Ⅱ22）、杆直线电机（杆直线电机Ⅰ31和杆直线电机Ⅱ32）、推杆直线电机安装座（推杆直线电机安装座Ⅰ41和推杆直线电机安装座Ⅱ42）、旋转轴51、读数显示屏61、伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72、伺服电机启停按钮Ⅲ73、外接电源线111和演示仪底座121，内部结构包括安装在演示仪底座121内部的伺服电机91和控制电路板101，演示仪底座121顶端设有能旋转的旋转轴51，旋转轴51上侧水平设有两端对称的伸缩臂，伸缩臂依次由安装在旋转轴51上的推杆直线电机安装座、杆直线电机、质量球连接组成，演示仪底座121侧面端面设有读数显示屏61、伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72和伺服电机启停按钮Ⅲ73，演示仪底座121底部一侧设有外接电源线111，旋转轴51连接伺服电机91，控制电路板101分别与杆直线电机、伺服电机91、读数显示屏61、伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72、伺服电机启停按钮Ⅲ73和外接电源线111连接。
其中旋转轴51通过内部的滚动轴承131、外部的滚动轴承外圈压环141和滚动轴承座151安装在演示仪底座121上；所述直线电机推杆通过螺纹与质量球可拆卸的连接；所述旋转轴51内部设有与杆直线电机连接的穿线孔Ⅲ83，演示仪底座121内部设有与读数显示屏61、伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72和伺服电机启停按钮Ⅲ73连接的穿线孔Ⅰ81、穿线孔Ⅱ82；所述旋转轴51和穿线孔Ⅲ83底部设有导电圆环（导电圆环Ⅰ171和导电圆环Ⅱ172），导电圆环与固定在演示仪底座121上的导电刷头（导电刷头Ⅰ161和导电刷头Ⅱ162）连接，导电刷头与控制电路板101连接；所述穿线孔Ⅰ81、穿线孔Ⅱ82中的电线与控制电路板101连接；所述伺服电机启停按钮Ⅰ71、伺服电机启停按钮Ⅱ72、伺服电机启停按钮Ⅲ73分别为正转按钮、反转按钮和开始/停止按钮。
以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种电机驱动式角动量守恒演示仪，其特征在于：由外部结构和内部结构组成，外部结构包括质量球、直线电机推杆、杆直线电机、推杆直线电机安装座、旋转轴（51）、读数显示屏（61）、伺服电机启停按钮Ⅰ（71）、伺服电机启停按钮Ⅱ（72）、伺服电机启停按钮Ⅲ（73）、外接电源线（111）和演示仪底座（121），内部结构包括安装在演示仪底座（121）内部的伺服电机（91）和控制电路板（101），演示仪底座（121）顶端设有能旋转的旋转轴（51），旋转轴（51）上侧水平设有两端对称的伸缩臂，伸缩臂依次由安装在旋转轴（51）上的推杆直线电机安装座、杆直线电机、质量球连接组成，演示仪底座（121）侧面端面设有读数显示屏（61）、伺服电机启停按钮Ⅰ（71）、伺服电机启停按钮Ⅱ（72）和伺服电机启停按钮Ⅲ（73），演示仪底座（121）底部一侧设有外接电源线（111），旋转轴（51）连接伺服电机（91），控制电路板（101）分别与杆直线电机、伺服电机（91）、读数显示屏（61）、伺服电机启停按钮Ⅰ（71）、伺服电机启停按钮Ⅱ（72）、伺服电机启停按钮Ⅲ（73）和外接电源线（111）连接。
2.根据权利要求1所述的电机驱动式角动量守恒演示仪，其特征在于：所述旋转轴（51）通过内部的滚动轴承（131）、外部的滚动轴承外圈压环（141）和滚动轴承座（151）安装在演示仪底座（121）上。
3.根据权利要求1所述的电机驱动式角动量守恒演示仪，其特征在于：所述直线电机推杆通过螺纹与质量球可拆卸的连接。
4.根据权利要求1所述的电机驱动式角动量守恒演示仪，其特征在于：所述旋转轴（51）内部设有与杆直线电机连接的穿线孔Ⅲ（83），演示仪底座（121）内部设有与读数显示屏（61）、伺服电机启停按钮Ⅰ（71）、伺服电机启停按钮Ⅱ（72）和伺服电机启停按钮Ⅲ（73）连接的穿线孔Ⅰ（81）、穿线孔Ⅱ（82）。
5.根据权利要求4所述的电机驱动式角动量守恒演示仪，其特征在于：所述旋转轴（51）和穿线孔Ⅲ（83）底部设有导电圆环，导电圆环与固定在演示仪底座（121）上的导电刷头连接，导电刷头与控制电路板（101）连接。
6.根据权利要求4所述的电机驱动式角动量守恒演示仪，其特征在于：所述穿线孔Ⅰ（81）、穿线孔Ⅱ（82）中的电线与控制电路板（101）连接。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的电机驱动式角动量守恒演示仪，其特征在于：所述伺服电机启停按钮Ⅰ（71）、伺服电机启停按钮Ⅱ（72）、伺服电机启停按钮Ⅲ（73）分别为正转按钮、反转按钮和开始/停止按钮。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107123344A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-09-01 | 浙江大学城市学院 | 一种新型角动量守恒演示与定量测定实验仪 |
| RU183308U1 (ru) * | 2017-12-28 | 2018-09-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Устройство для исследования закона сохранения кинетического момента механической системы |
| CN110827630A (zh) * | 2019-11-12 | 2020-02-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种新型如可夫斯基凳 |
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- 2016-03-11 CN CN201620184514.1U patent/CN205827735U/zh not_active Expired - Fee Related
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