角动量定理组合演示仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种角动量定理组合演示仪，包括底座，竖直固定在底座上的主轴，套设在主轴上的滚动轴承，套装在滚动轴承外圈上的轴承套，通过轴承套安装在主轴上绕主轴旋转的支杆，套设在支杆上绕支杆旋转的转盘，和安装在主轴顶端的顶架；滚动轴承通过位于其下方的套筒进行限位；最下方的轴承套上对称较接有两根支杆，两根支杆另一端均安装有转盘；顶架中对称设有两根弹簧，弹簧一端固定在顶架上，另一端与绳索连接，绳索另一端穿过顶架中的定滑轮与转盘连接；上述角动量定理组合演示仪整体上呈轴对称结构，体积小、质量轻、结构简单、操作有趣、便于携带和拆装，可以从多个方面演示角动量的相关规律，功能丰富，使用方便。
【专利说明】角动量定理组合演示仪
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种角动量定理组合演示仪，可以用于高校《大学物理》、《理论力学》 等课程中角动量相关知识的教学演示。
【背景技术】
[0002] 角动量定理是自然界普遍存在的基本定理之一。目前，角动量的概念一般是在高 校《大学物理》、《理论力学》等有关刚体力学的课程中学习，是力学中的重点，同时也是难 点，在教学中，采用传统的讲授方式，在短短的几个学时内学生往往很难理解或掌握其物理 实质。为加深学生对角动量相关知识和规律的理解，调动学生学习兴趣和探究欲望，角动量 演示仪逐渐成为一种常用课堂教学辅助仪器。
[0003] 目前，国内高校有多种角动量演示装置，比如：茹科夫斯基转椅，进行角动量守恒 演示时要求人坐在转椅上成为实验装置的一部分，对实验者身体素质有一定要求，并且装 置体积较大，携带不便；三球式角动量守恒演示器（专利号：CN93247085)，抡球式角动量 守恒演示仪（专利号：CN201320388561)，手持式力矩突变角动量守恒演示仪（专利号： CN201320388586)，上述演示仪体积小、结构简单，但只能演示角动量守恒定理；多功能角动 量演示装置；多功能刚体转动及角动量定理教学演示仪（专利号：CN201410166190)，可演 示多种刚体定点、定轴转动及角动量定理，但操作过程复杂，演示过程枯燥缺乏趣味，部分 功能演示时还需借助其他工具。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足并提供一种体积小、质量轻、结构简单、操 作有趣、便于携带和拆装的角动量定理组合演示装置，可以从多个方面演示角动量定理的 相关规律，功能丰富，使用方便。
[0005] 实现本发明目的所采用的技术方案为：
[0006] -种角动量定理组合演示仪，至少包括底座，坚直固定在底座上的主轴，套设在主 轴上的滚动轴承，安装在主轴上通过滚动轴承绕主轴旋转的支杆，和套设在支杆上绕支杆 旋转的转盘，主轴上套装3个以上滚动轴承，各滚动轴承均通过位于其下方的由销轴安装 在主轴上的套筒进行限位，各滚动轴承外圈上均套装有轴承套，自下而上依次为轴承套A、 一个以上轴承套B和轴承套C ;轴承套A上对称铰接有两根支杆，两根支杆另一端均安装有 转盘，两根支杆的中部均铰接有连杆，连杆另一端与轴承套A相邻的轴承套B铰接；轴承套 B与轴承套C上均对称铰接有连杆，轴承套B与轴承套C通过连杆固定为一个整体；主轴顶 端安装有顶架，顶架通过轴承套C以及安装在轴承套C中的滚动轴承固定在主轴上；所述顶 架包括安装在主轴顶端与轴承套C固连的支撑管，穿插在支撑管中的伸缩杆，对称固定在 伸缩杆两端的定滑轮，以及安装在支撑管上的弹簧槽；弹簧槽中对称设有两根弹簧，弹簧一 端固定在弹簧槽中，另一端与绳索连接，绳索另一端穿过定滑轮与转盘连接。
[0007] 安装在轴承套A中的滚动轴承与主轴之间采用间隙配合。
[0008] 所述转盘通过滚动轴承与支杆连接。
[0009] 所述转盘中心固设有带绕线槽的绕线轴，绳索通过绕线轴与转盘连接。
[0010] 所述弹簧通过对称分布在弹簧槽槽壁上的销钉固定在弹簧槽槽壁上。
[0011] 所述支撑管底端套设在主轴最上方的滚动轴承外圈上，轴承套C夹紧支撑管从而 与支撑管紧密固定。
[0012] 所述支撑管顶端设有与弹簧槽大小相匹配的管槽，弹簧槽卡入管槽中紧密固定在 支撑管上。
[0013] 由上述技术方案可知，本发明提供的角动量定理组合演示仪以对称固定在顶架中 的弹簧为动力原件，由轴承套、连杆、支杆、转盘和顶架组成旋转系统，该旋转系统通过安装 在轴承套中的滚动轴承与主轴连接，可绕主轴做定轴转动，其中安装在轴承套A中的滚动 轴承可沿主轴上下滑动，转盘可绕支杆旋转；弹簧通过绳索与带有绕线轴的转盘连接，驱动 转盘及旋转系统转动，轴承套B与轴承套C通过连杆连接为一个整体并绕主轴旋转，该结构 增大了定滑轮与转盘之间的距离，防止支杆倾斜一定角度后转盘与定滑轮干涉，该演示仪 整体上呈轴对称结构。
[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0015] 本发明提供的角动量定理组合演示仪，可演示角动量守恒定律，刚体绕定轴转动 时转动惯量与角速度的关系以及角动量定理，功能丰富，方便教师在课堂上做教学演示；该 演示仪连接处采用销轴连接，使用结束后可快速拆卸，节省占地空间；各组成部分多为杆 件，体积小、质量轻、结构简单；该演示仪在使用时不需借助其他工具，操作简单；该演示仪 通过自身的对称结构即可形成自平衡，不需借助其余重物维持结构平衡；利用该装置做实 验演示，能够调动学生的上课积极性，帮助学生更好地理解角动量定理的实质，揭示刚体定 轴转动的内在规律，提高教学质量，具有较强实用性；该演示仪生产成本低，使用效果好，具 有广阔的市场前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明提供的角动量定理组合演示仪整体结构示意图。
[0017] 图2为利用本发明提供的演示仪演示角动量守恒定律的示意图。
[0018] 图3为利用本发明提供的演示仪演示角动量定理的示意图。
[0019] 其中，1-底座，2-主轴，3-转盘，4-支杆，5-定滑轮，6-伸缩杆，7-弹簧，8-弹簧 槽，9-绳索，10-连杆，11-滚动轴承，12-套筒，13-销轴，14-销钉，15-支撑管，16-绕线轴， 17-轴承套。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和实施例对本发明作详细具体说明。
[0021] 本发明提供的角动量定理组合演示仪，整体结构如图1所示，包括底座1，坚直固 定在底座上的主轴2,套设在主轴上的滚动轴承11，安装在主轴上通过滚动轴承绕主轴旋 转的支杆4,套设在支杆上绕支杆旋转的转盘3,以及安装在主轴顶端的顶架；该演示仪主 轴上套装有三个滚动轴承，滚动轴承通过位于其下方的由销轴13安装在主轴上的套筒12 进行限位；滚动轴承上均套装有轴承套17,自下而上依次为轴承套A、轴承套B、轴承套C,轴 承套A上方套筒的两端分别与轴承套A、轴承套B中的滚动轴承内圈相接，因此轴承套A稳 定停靠在下方套筒上；轴承套A上对称铰接有两根支杆，两根支杆另一端均安装有转盘，转 盘通过滚动轴承与支杆连接；安装在轴承套A中的滚动轴承与主轴之间采用间隙配合，可 沿主轴上下滑动；所述转盘中心设有带绕线槽的绕线轴16 ;轴承套B上对称铰接有两根连 杆10,两根连杆另一端分别与两根支杆的中部铰接，轴承套B与轴承套C通过两根对称分布 的连杆连接；顶架通过轴承套C以及安装在轴承套C中的滚动轴承固定在主轴上；所述顶 架包括安装在主轴顶端与轴承套C连接的支撑管15,穿插在支撑管中的伸缩杆6,对称固定 在伸缩杆两端的定滑轮5,以及安装在支撑管上的弹簧槽8,支撑管底端套设在主轴最上方 的滚动轴承外圈上，并通过轴承套C夹紧从而与轴承套C紧密固定，支撑管顶端设有与弹簧 槽大小相匹配的管槽，弹簧槽卡入管槽中紧密固定在支撑管上；弹簧槽中对称设有两根弹 簧7,两根弹簧的一端通过对称分布在弹簧槽槽壁上的销钉14固定在弹簧槽槽壁上，另一 端与绳索9连接，绳索另一端穿过定滑轮5与转盘的绕线轴连接。
[0022] 本发明提供的角动量定理组合演示仪可演示角动量守恒定律，刚体绕定轴转动时 转动惯量与角速度的关系，以及角动量定理，以下实施例提供了该演示仪较佳的演示方式， 具体操作过程如下：
[0023] 实施例1 :验证角动量守恒定律。
[0024] 调整套筒的位置，使支杆处于水平状态，主轴、支杆和与支杆铰接的连杆构成稳定 的三角形结构，确保支杆可以始终保持水平，调整后的装置如图1所示，同时分别沿逆时针 和顺时针方向手动旋转两端转盘，使绳索下端缠绕在绕线轴上，弹簧被拉伸，蓄积弹性势能 为实验提供动力；释放转盘，弹簧弹性势能转化为转盘的动能，两个转盘绕支杆等速反向旋 转。由于系统所受外力只有两转盘的重力，两个力大小相等，且关于主轴对称，故系统的合 外力矩为零，系统总角动量也为零，两转盘的角动量均为水平方向，且等值反向，可相互抵 消，系统不旋转。观察系统是否绕主轴旋转，可以验证角动量守恒定律。
[0025] 实施例2:验证角动量守恒定律。
[0026] 调整套筒的位置使其与主轴最下端的通孔对齐，插入销轴固定套筒，靠在该套筒 上的轴承套A及滚动轴承随之向下移动，支杆绕轴承套A转动与水平方向成一定角度，连杆 也随之绕轴承套B转动，系统运转过程中，支杆与水平方向所成角度固定不变，将伸缩杆向 内收缩一定距离后固定，使绳索与支杆的夹角接近90°，弹簧的弹性势能尽可能多的转化 为转盘的动能，调整后的装置结构示意图如图2所示，同时分别沿逆时针和顺时针方向手 动旋转两端转盘后释放，两转盘等速反向旋转。由于系统所受外力为两转盘的重力，合外力 矩为零，系统总角动量为零，两转盘角动量的水平分量等值反向，可相互抵消，坚直分量均 向下，理论上系统将会逆时针旋转以产生坚直向上的角动量，使得系统总角动量为零；观察 系统是否绕主轴逆时针旋转，可以验证角动量守恒定律。
[0027] 实施例3 :验证角动量守恒定律以及转动惯量与角速度的关系。
[0028] 保持套筒的位置不动，仍与主轴最下端的通孔对齐，向上移动滚动轴承使支杆处 于水平位置，分别沿逆时针和顺时针方向旋转两转盘后释放，两转盘等速反向旋转，由于转 盘通过支杆作用在轴承套A上方向朝上的作用力小于轴承套A及其内部滚动轴承的重力， 轴承套A及其内部的滚动轴承在自身重力的作用下向下移动，此时两支杆与水平方向的夹 角从零开始逐渐增大，当滚动轴承接触套筒后停止向下移动；系统所受外力为两转盘的重 力，合外力矩为零，系统总角动量为零，两转盘产生坚直向下的角动量，系统逆时针旋转；随 着支杆与水平方向夹角的增大，两转盘对系统的转动惯量不断减小，系统旋转速度随着转 动惯量的减小而变大；观察系统是否绕主轴逆时针旋转以及速度大小的变化，可以进一步 验证角动量守恒定律以及转动惯量与角速度的关系。
[0029] 实施例4 :验证角动量定理。
[0030] 调整套筒的位置，使得支杆处于水平位置，拆掉其中一边的支杆、支杆转盘、连杆 和绳索，保留另一边支杆、转盘、连杆以及绳索，调整后的装置如图3所示，手动转动转盘后 释放，转盘绕支杆转动。系统外力为一边转盘的重力，主轴受到转盘的重力矩，合外力矩不 为零，根据陀螺的进动性，系统将绕主轴旋转。观察系统是否绕主轴旋转，验证角动量定理。 [0031] 以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作 用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种角动量定理组合演示仪，至少包括底座，坚直固定在底座上的主轴，套设在主轴 上的滚动轴承，安装在主轴上通过滚动轴承绕主轴旋转的支杆，和套设在支杆上绕支杆旋 转的转盘，其特征在于：主轴上套装3个以上滚动轴承，各滚动轴承均通过位于其下方的由 销轴安装在主轴上的套筒进行限位，各滚动轴承外圈上均套装有轴承套，自下而上依次为 轴承套A、一个以上轴承套B和轴承套C ;轴承套A上对称铰接有两根支杆，两根支杆另一 端均安装有转盘，两根支杆的中部均铰接有连杆，连杆另一端与轴承套A相邻的轴承套B铰 接；轴承套B与轴承套C上均对称铰接有连杆，轴承套B与轴承套C通过连杆固定为一个整 体；主轴顶端安装有顶架，顶架通过轴承套C以及安装在轴承套C中的滚动轴承固定在主轴 上；所述顶架包括安装在主轴顶端与轴承套C固连的支撑管，穿插在支撑管中的伸缩杆，对 称固定在伸缩杆两端的定滑轮，以及安装在支撑管上的弹簧槽；弹簧槽中对称设有两根弹 簧，弹簧一端固定在弹簧槽中，另一端与绳索连接，绳索另一端穿过定滑轮与转盘连接。
2. 根据权利要求1所述的角动量定理组合演示仪，其特征在于：安装在轴承套A中的 滚动轴承与主轴之间采用间隙配合。
3. 根据权利要求1所述的角动量定理组合演示仪，其特征在于：所述转盘通过滚动轴 承与支杆连接。
4. 根据权利要求1所述的角动量定理组合演示仪，其特征在于：所述转盘中心固设有 带绕线槽的绕线轴，绳索通过绕线轴与转盘连接。
5. 根据权利要求1所述的角动量定理组合演示仪，其特征在于：所述弹簧通过对称分 布在弹簧槽槽壁上的销钉固定在弹簧槽槽壁上。
6. 根据权利要求1所述的角动量定理组合演示仪，其特征在于：所述支撑管底端套设 在主轴最上方的滚动轴承外圈上，轴承套C夹紧支撑管从而与支撑管紧密固定。
7. 根据权利要求1所述的角动量定理组合演示仪，其特征在于：所述支撑管顶端设有 与弹簧槽大小相匹配的管槽，弹簧槽卡入管槽中紧密固定在支撑管上。
【文档编号】G09B23/10GK104217631SQ201410456458
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】康红梅, 杨文剑 申请人:中国地质大学（武汉）