新型角动量守恒演示与定量测定实验仪的制作方法

本实用新型专利涉及实验仪，尤其涉及一种新型角动量守恒演示与定量测定实验仪。

背景技术：

物理实验室现有角动量守恒演示仪，均是被动演示，主要演示形式有：第一，手推式，即是用手将手握柄拉下时，转动连杆与钢球距转轴距离最大(状态1)，人为让转动连杆与钢球快速转动，然后，用手抓住握柄上推，使转动连杆与钢球距转轴距离减小(状态2)，状态 1较状态2转动系统转动惯量大，由于转动系统合外力矩为零，角动量守恒，所以末状态(状态2)转动系统角速度增大，即转速加快；第二，演示角动量守恒的方法是，一人坐在椅子上两只手拿上哑铃，让椅子转动起来，通过伸缩两只拿着哑铃手的臂来演示椅子转动的快慢，即若两只臂伸展转动变慢，两只手臂缩回转动加块；第三：一人站在一能够自由转动的转盘上，手举以能够自由转动的转轮，然后，转动被举起的转轮，自由转盘就会产生与转轮转动方向相反的转动。基于此，发明者发明了既可以演示，又能定量测量来证明角动量守恒的实验仪器，于2016年9月28日已经申请到专利号为：ZL 201521032868.6的“角动量守恒演示与定量测定实验仪”。但是，该实验仪在具体使用时还是不太方便，尤其是电机供电线、转动系统传输线均布局在空心转筒外面，以及光电门、导电环与导电刷分别设计在底座与下圆盘下表面，不仅仪器结构复杂凌乱，而且操作起来非常不方便。

技术实现要素：

为了克服现有技术不足，本实用新型提供了一种结构合理的新型角动量守恒演示与定量测定实验仪。

为实现上述技术目的，本实用新型采用了以下技术方案：

这种新型角动量守恒演示与定量测定实验仪，包括支撑腿、底座、调平水平泡、固定空心支撑柱、下轮轴、上轮轴、空心中心转轴、空心转筒、光电门、正极导电刷、负极导电刷、圆形小电机、转盘、电机转轴、电机传输总线、第一传输线、第二传输线和电控箱；

底座下设置三个调平支撑腿，底座上设置有调平水平泡，底座中心设置固定空心支撑柱，在固定空心支撑柱中间设置空心中心转轴，在空心中心转轴上端固定连接空心中心转轴支撑柱，空心中心转轴支撑柱由下到上依次相间固定安装光电门、正极导电刷和负极导电刷，正极导电环采用两个绝缘柱与正极导电刷对应固定于空心转筒上，负极导电环采用两个绝缘柱与负极导电刷对应固定在空心转筒上，分别从正极导电环与负极导电环下端焊接两根导线穿过空心转筒眼位至空心转筒外表，紧贴空心转筒外表与圆形小电机正负接线柱连接；

圆形小电机固定在空心转筒上端，在电机转轴上固定有转盘；空心转筒与空心转轴是采用上轮轴和下轮轴转动连接，上轮轴的内缘与下轮轴内缘分别与空心转轴外表面固定连接，上轮轴的外缘与下轮轴的外缘分别与空心转筒内表面固定连接，此时，挡光杆能够自由通过发射光电门与接收光电门间挡光，正极导电刷的接触电刷与正极导电环吻合接触，负极导电刷的接触电刷与负极导电环吻合接触；

电控箱通过输电线为正极导电刷和负极导电刷导电，正极导电刷的接触电刷在正极导电环上滑动导电，负极导电刷的接触电刷在负极导电环上滑动导电，为圆形小电机供电，圆形小电机带动转盘转动；

空心转筒连同固定在其内侧的正极导电环与负极导电环一起转动，正极导电刷和负极导电刷分别与正极导电环和负极导电环滑动接触导电。

作为优选：所述光电门的发射光电门传输线和接收光电门传输线经第二传输线、第一传输线汇入电机传输总线进入电控箱。

本实用新型具有以下的特点和有益效果：

1、该实用新型专利是对专利号为：ZL 201521032868.6的“角动量守恒演示与定量测定实验仪”专利弊端具有针对性地进行了改进。改进部位涉及：(1)电机供电线；(2)转动系统传输线的布局；(3)光电门、导电环与导电刷的位置与大小；

2、改进后的新型实验仪直接拆除了下轮盘，实验仪整体既轻巧，又节省了材料；

3、新型实验仪已将底座上内外导电环及下轮盘下表面导电刷及光电门，分别移改装至中心转轴支撑柱与空心转筒间，既安全，外观整体又美观漂亮；

4、采用了空心中心转轴支撑柱与空心中心转轴不同直径，以实现能将圆环导电刷与光电门安装在空心中心转轴上，而将正极导电环、负极导电环与挡光杆安装在空心转筒内侧，来实现光电信息传输，可谓十分巧妙；

5、如上所述，改进后的“新型角动量守恒与定量测定实验仪”，较前发明的实验仪，光电信息传输布局更加合理。

附图说明

图1为角动量守恒与定量测定实验仪全图。

图2为空心转筒、上下轮轴外缘与电机连接结构。

图3为中心转轴、上下轮轴与空心转筒截面图。

图4为光电门、导电刷与导电环及传输线连接结构图。

图5为圆环导电刷图。

图6为导电刷与导电环图。

图7为光电门图。

图8为底座与电控箱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

如图1所示，为新型角动量守恒与定量测定实验仪全图。1、调平支撑腿，2、底座，3、调平水平泡，4、固定空心支撑柱，5、下轮轴，7、上轮轴，6、空心中心转轴，6-0、空心中心转轴固定支撑柱，8、空心转筒，9、光电门，10、导电刷，10-4、导电环与电机连接导线，12、圆形小电机，13、转盘，14、电机转轴，16、电机传输总线，17、第一传输线，18、第二传输线，15、电控箱，15-0、电控箱总开关，15-1、电控箱指示灯，15-2、光电门控制开关，15-3、电机控制开关，15-4、空心转筒以上整体转速显示荧光屏，15-5、电机转速显示荧光屏；

如图3所示，为中心转轴、上下轮轴与空心转筒截面图。5、下轮轴，5-1、下轮轴珠子， 5-2、下轮轴内缘，5-3、下轮轴外缘，6、空心中心转轴，7、上轮轴，7-1、上轮轴珠子，7-2、上轮轴内缘，7-3、上轮轴外缘，8、空心转筒；

如图4所示，为光电门、导电刷与导电环及传输线连接结构图。6、空心中心转轴，6-0、空心中心转轴支撑柱，7、上轮轴，8、空心转筒，9、光电门，10、正极导电刷，11、负极导电刷，10-0、正极导电环，11-0、负极导电环，12、圆形小电机；

如图5所示，为圆环导电刷。10、圆环导电刷，100、导线，110、与下轮盘固定端，120、弹簧，130、内空心柱，140、外套空心柱，150、接触电刷；

如图6所示，10-10、绝缘柱；

如图7所示，为光电门结构图。9、光电门，9-0、挡光杆，9-20、发射光电门传输线，9-30、接收光电门传输线。

光电门与电控箱及显示屏的具体连接结构

从光电门9的发射光电门9-2和接收光电门9-3拉出发射光电门传输线9-20和接收光电门传输线9-30经支撑柱下部进入空心中心转轴支撑柱内，汇入光电门、电机供电第二传输线 18、第一传输线17，再汇入电机供电与光电门电机传输总线16中，最终接入电控箱内相应位置。

光电门9上的发射光电门9-2聚光灯泡发出的光，经接收光电门9-3前面的小孔接收照射到光敏管，当电控箱15打开光电门9工作时，空心转筒8转动，带动挡光杆9-0转动，具有一定粗细的挡光杆9-0经发射光电门9-2与接收光电门9-3之间，发射光电门9-2发出的光被挡住时，计时器开始计时，当光电门9再次挡光时计时结束，光电门9传输线就会将这些信息传输至电控箱15，电控箱15计时装置具备运算功能，就会计算出空心转筒8转速n，同时会在电控箱15的荧光屏15-4上显示出来，电机转速n₁也会在电控箱15的荧光屏15-5 上显示出来。

电机与电控箱及显示屏的具体连接结构

电控箱15为圆形小电机12供电是通过正极导电刷10和负极导电刷11分别在正极导电环10-0和负极导电环11-0上滑动接触来实现的，从正极导电环10-0和负极导电环11-0接出导线10-4接至圆形小电机12的正负极接线柱上，从电控箱15拉出的正负极导线经电机传输总线16、在经第一传输线17、第二传输线18，分别接至正极导电刷10与负极导电刷11 终端。圆形小电机12转速n₁可以通过电控箱15荧光屏15-5显示出来。

圆环导电刷工作原理

圆环导电刷10安装在空心中心转轴支撑柱6-0上，接触电刷150恰在导电环10-0上，弹簧120被压缩，外套空心柱140缩回，导线100会在内空心柱130内相对伸缩变化，空心转筒8转动带动正极导电环10-0和负极导电环11-0转动，正负电刷150会分别在正极导电环10-0和负极导电环11-0上滑动接触导电，电流会通过导电刷150经正极导电环10-0和负极导电环11-0为圆形小电机12供电，空心转筒8的转速n会在空心转筒8以上整体转速显示荧光屏15-4上显示出来。

各部分环节的连接方式

底座2下设置三个调平支撑腿1，底座2上设置有调平水平泡3，底座2中心设置固定空心支撑柱4，在固定空心支撑柱4中间设置空心中心转轴6，在空心中心转轴6上端固连一直径较小的空心中心转轴支撑柱6-0，在空心中心转轴支撑柱6-0上由下到上依次相间固定安装光电门9、正极导电刷10和负极导电刷11，光电门9的发射光电门传输线9-20和接收光电门传输线9-30经第二传输线18、第一传输线17汇入电机传输总线16进入电控箱，正极导电环10-0采用两个绝缘柱10-10与正极导电刷10对应固定于空心转筒8上，负极导电环 11-0采用两个绝缘柱11-10与负极导电刷11对应固定在空心转筒8上，分别从正极导电环 10-0与负极导电环11-0下端焊接两根导线穿过空心转筒8眼位至空心转筒8外表，紧贴空心转筒8外表与圆形小电机12正负接线柱连接；圆形小电机12固定在空心转筒8上端，在电机转轴14上固定一转盘13；空心转筒8与空心转轴6是采用上轮轴7和下轮轴5转动连接，上轮轴7的内缘7-2与下轮轴内缘5-2分别与空心转轴6外表面固定连接，上轮轴7的外缘7-3与下轮轴5的外缘5-3分别与空心转筒8内表面固定连接，此时，挡光杆9-0能够自由通过发射光电门9-2与接收光电门9-3间挡光，正极导电刷10的接触电刷150与正极导电环10-0吻合接触，负极导电刷11的接触电刷150与负极导电环11-0吻合接触；电控箱 15通过输电线为正极导电刷10和负极导电刷11导电，正极导电刷10的接触电刷150在正极导电环10-0上滑动导电，负极导电刷11的接触电刷150在负极导电环11-0上滑动导电，以为圆形小电机12供电，圆形小电机12带动转盘13转动，其转速n₁会在电控箱15的电机转速显示荧光屏15-5上显示出来；依据角动量守恒定律可知，空心转筒8以上整体部分(包括圆形小电机、转盘与正负极导电环及上下轮轴外圈)会沿着与转盘13转动相反的方向转动，空心转筒8携带挡光杆9-0转动，挡光杆9-0会经过光电门9的发射光电门9-2与接收光电门9-3间挡光，发射光电门传输线9-20和接收光电门传输线9-30会将挡光信息经第二传输线18、第一传输线17汇入电机传输总线16，并与电控箱15相应部位连接，这样空心转筒8 以上整体部分(包括圆形小电机、转盘与正负极导电环及上下轮轴外圈)的转速n将会在电控箱15的空心转筒8以上整体部分(包括圆形小电机、转盘与正负极导电环及上下轮轴外圈) 的转速显示荧光屏15-4上显示出来；空心转筒8连同固定在其内侧的正极导电环10-0与负极导电环11-0一起转动，正极导电刷10和负极导电刷11就会分别与正极导电环10-0和负极导电环11-0滑动接触导电。

实验操作步骤与原理

1、准备好实验仪器，调平底座2；

2、接通电控箱15电源，接通电控箱15总开关15-0，电控箱15指示灯15-1亮，开起圆形小电机12控制开关15-3，电机转轴14带动转盘13开始转动，电机转轴14带动转盘13 转速n₁就会电机转速显示荧光屏15-5上读出；

3、开起光电门9控制开关15-2，根据角动量守恒定律，空心转筒8以上整体部分(包括圆形小电机、转盘与正负极导电环及上下轮轴外圈)就会沿着与转盘13相反的方向转动，同时会在空心转筒8以上整体部分(包括圆形小电机、转盘与正负极导电环及上下轮轴外圈) 显示荧光屏15-4上显示出空心转筒8以上整体(包括圆形小电机、转盘与正负极导电环及上下轮轴外圈)的转速n；

4、设圆形小电机转速n₁(电机转速显示荧光屏15-5上读出)，则角速度ω₁＝2πn₁，上轮盘绕中心转动惯量I₁，圆形小电机围绕中心轴转动惯量I₂，空心转筒围绕中心轴转动惯量I₃，上下轮轴外缘围绕中心轴转动惯量I₄，正负导电环围绕中心轴转动惯量I₅，则空心转筒以上整体部分(包括圆形小电机、转盘与正负极导电环及上下轮轴外圈)围绕中心轴转动惯量为 I＝I₁+I₂+I₃+I₄+I₅，若光电门测得空心转筒8以上整体部分(包括圆形小电机、转盘与正负极导电环及上下轮轴外圈)转速为n(可从电控箱显示荧光屏15-4上读出)，则角速度ω＝2πn，分别计算轮盘角动量I₁ω₁与空心转筒8以上整体部分(包括圆形小电机、转盘与正负极导电环及上下轮轴外圈)角动量Iω；

5、由于转动系统合外力矩为零，根据计算结果，如果I₁ω₁≈Iω，则就是通过该实验仪定量测量，证明了角动量守恒定律是成立的。