一种转动惯量测量与演示实验装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种转动惯量测量与演示实验装置，它主要包括横杆与转动加载盒。其中横杆的一端铰接于支座可绕支座定轴自由转动，横杆另一端通连接于转动加载盒的上横梁与下滑槽，转动加载盒通过两侧的弹簧连接于横杆的两侧，横杆上均匀布置若干试件连接孔。本发明通过对弹簧施加初始变形，引起横杆绕支座转轴发生低阻尼自由振动，并根据刚体固定于不同横杆位置时系统的振动周期变化，得到刚体的转动惯量。本发明可快捷简便地测量刚体的转动惯量，同时还可以清楚地演示转动惯量平移定理和组合定理及刚体转动惯量与转动运动状态无关的性质，有助于学生清楚准确地理解转动惯量和刚体转动特性，是一种适宜物理教学的实验设备。
【专利说明】一种转动惯量测量与演示实验装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种物理实验教学仪器，具体地指一种转动惯量测量与演示实验装 置。
【背景技术】
[0002] 转动惯量是刚体转动时惯性大小的量度，它与刚体的形状、质量分布及转动轴的 位置有关。转动惯量具有重要物理意义，测量刚体转动惯量并理解转动惯量的性质是大学 物理课程的一项重要内容。目前，实验教学中常用的转动惯量测试装置主要有三线摆和转 动惯量仪等。
[0003] 三线摆具有可快速便捷测量转动惯量的优点，其原理是将不同半径的两个圆盘上 下同心布置，下圆盘绕两圆盘中心连线发生扭转，通过分析放置待测刚体前后系统振动周 期的变化，得到刚体转动惯量。三线摆已成为目前物理教学中最常用的转动惯量测量演示 实验装置，但是由于三线摆的分析原理将悬线视为刚性，这与事实不符，施加被测刚体后常 因为悬线的变形导致系统发生转动和平动两种形式的组合运动，这势必引起实验结果的偏 差甚至错误。
[0004] 转动惯量仪通过砝码自由落体对塔轮施加作用，引起塔轮上方圆盘发生匀角加速 度运动，通过改变砝码质量或者塔轮作用半径来获得不同的转动力矩。分析砝码脱离塔轮 前后系统角加速度的变化得到待测刚体的转动惯量。转动惯量仪设备简单，便于操作，但其 要求测量者准确判断砝码下落的起点和终点，因此时间测量的人为因素较大，数据稳定性 较差。
[0005] 此外，上述传统的转动惯量测试方法，其测试原理并不直观，也不容易让学生理解 转动惯量平移定理与转动惯量与角加速度无关的性质。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是要解决上述【背景技术】的不足，提供一种操作简便、人为影响因 素少、原理明确直观的转动惯量测量与演示实验装置。
[0007] 本发明的技术方案为：一种转动惯量测量与演示实验装置，它包括一端铰接于支 座上可绕转轴转动的横杆与通过滑道连接于横杆另一端的转动加载盒。其特征在于：所述 横杆质量分布均匀且相对刚度大，横杆上均匀布置若干试件连接孔，横杆上设有水平仪；横 杆一端铰接于横杆支座，可在水平面上自由转动；横杆另一端设置有挡光片，并与转动加载 盒连接，通过横杆端下部滑轮嵌于加载盒下部的滑槽中，横杆可沿滑槽自由滑动；所述滑槽 呈圆弧形，弧形滑槽以横杆支座转轴为中心，以横杆有效长度为半径。横杆位于转动加载盒 端的上部设有施力阀，推动施力阀可以实现横杆沿弧形滑槽滑动，按下施力阀可将横杆固 定于滑槽任意位置。所述转动加载盒下部设有加载盒支座，转动加载盒端两边的侧板内侧 与横杆间分别连接有均质弹簧，弹簧与转动加载盒连接处设有清零螺母，用以调整弹簧受 力，以调节横杆位置。加载盒上横梁标有以中心为零点左右对称的刻度，用于测量施加给横 杆的初始位移。加载盒下横梁中心处布置有光电探头，并连接于外部周期测定仪。
[0008] 本发明所述横杆相对刚度大，在实验过程中的变形可以忽略，且横杆长度远大于 试件尺寸。
[0009] 所述弹簧质地均匀，且弹簧弹性范围远大于实验中所施加的变形；
[0010] 所述横杆与横杆支座及转动加载盒的接触均光滑；
[0011] 所述滑槽有效长度对应的弧度在5?10°以内；
[0012] 所述实验中横杆发生的振动属于低阻尼自由振动，阻尼对系统自由振动固有周期 的影响可以忽略。
[0013] 本发明的原理是根据系统低阻尼自由振动的特性，根据虚功原理建立系统运动方 程如下：
[0014]
【权利要求】
1. 一种转动惯量测量与演示实验装置，它包括横杆、转动加载盒、横杆支座与转动加载 盒支座，其特征在于：所述横杆一端铰接于横杆支座，可在水平面上绕横杆支座定轴转动， 横杆另一端连接于转动加载盒的上横梁与下滑槽，并可沿下滑槽自由滑动，所述的横杆与 转动加载盒分别支撑于横杆支座和转动加载盒支座。
2. 根据权利要求1所述的一种转动惯量测量与演示实验装置，其特征在于：所述横杆 布置若干试件连接孔，横杆上设有水平仪，横杆连接于转动加载盒一端设有遮光片，横杆刚 度大，在实验过程中的变形可以忽略，横杆长度远大于试件尺寸，并且横杆与横杆支座转轴 及转动加载盒的下滑槽接触光滑。
3. 根据权利要求1所述的一种转动惯量测量与演示实验装置，其特征在于：所述转动 加载盒由弹簧振子、上横梁、下滑槽及侧板组成，转动加载盒下部连接于加载盒支座，转动 加载盒端两侧的侧板分别连接有均质弹簧，弹簧的另一端连接在横杆两侧，所述上横梁标 有对称刻度，所述转动加载盒两侧侧板与弹簧连接处设有清零螺母，所述横杆与转动加载 盒上横梁间设有控制横杆在滑槽滑动位置的施力阀，所述转动加载盒下滑槽中心处布置有 光电探头，并连接于外部的周期测定仪。
4. 根据权利要求1和权利要求3所述的一种转动惯量测量与演示实验装置，其特征在 于：所述下滑槽与上横梁平行布置，均呈以横杆支座转轴为中心以横杆有效转动长度为半 径的圆弧形，所述圆弧形的有效弧长对应的弧度范围在5?10°之间。
5. -种基于权利要求1所述的转动惯量测量与演示实验装置，其特征在于测量刚体转 动惯量的具体实验步骤为： (1) 调整横杆支座与转动加载盒支座，通过横杆上的水平仪，使系统水平； (2) 调整转动加载盒两侧的清零螺母，使横杆位于转动加载盒中心； (3) 推动横杆上的施力阀，使横杆沿转动加载盒滑道滑动一定角度； (4) 打开施力阀，横杆沿转动加载盒滑道来回摆动，通过光电探头与周期测定仪得到系 统空载振动周期?；; (5) 测得待测试件质量m，将待测试件通过试件连接孔固定于横杆上某一位置，试件距 离横杆转动轴距离为U，试件中心与连接孔对应，重复步骤（1)?（4)，测得系统振动周期 为; (6) 变换待测试件在横杆上的位置，使其距离横杆转动轴距离为1^2，重复步骤（1)? (4)，测得系统振动周期为T2; (7) 分析实验数据，假定计算参数4 = ，可以得到待测构件位置1时的转动惯 量名=- A2 )。
【文档编号】G09B23/08GK104123865SQ201410326497
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】刘相梅, 梁法库, 李奇楠 申请人:齐齐哈尔大学