转动惯量探究仪的制作方法

本发明涉及的是一种物理学探究仪器，特别是一种转动惯量探究仪。

背景技术：

物理学是一门实验科学，在物理学的历史中每个概念的建立、每个定律的发现，都有其坚实的实验探究基础。转动惯量是刚体绕轴转动时惯性的量度，在旋转动力学中的角色相当于线性动力学中的质量，可形式地理解为一个物体对于旋转运动的惯性，用于建立角动量、角速度、力矩和角加速度等数个量之间的关系。目前在大学的物理教学中与转动惯量相关的仪器主要通过三线摆、扭摆等测试物体转动惯量大小的实验仪器来加强学生对此概念的认识，但都是直接告诉学生这个物理量的公式，没有一个引导探究的过程。而与转动惯量相关的茹科夫斯基转椅等演示类仪器，又没有对演示出的现象做进一步的探究。此外，这些演示类仪器大多针对角动量守恒定律来演示，在演示过程中需要人为改变转动惯量的大小，演示过程不够连贯、现象也比较单调。

技术实现要素：

本发明的主要目的是通过仪器演示过程中的现象激发观察者的兴趣，进而通过亲自操作仪器来探究出转动惯量的表达式j=mr²。此外，仪器的演示过程中还能体现出视觉暂留、简谐运动等物理现象。

本发明的目的是这样实现的：包括仪器本体、摆杆定位装置、传动机构和数据采集设备。所述仪器本体包括上轴系、支撑、摆杆、砝码、下轴系和底座；所述摆杆定位装置可插入上轴系两外连块之间用于定量改变摆杆角度；所述传动机构位于底座内，传动轴可水平移动，外端用联轴器连接手轮或减速电机分别适用于演示和探究阶段；所述数据采集设备包括光电门和智能计数器等可测量出仪器转动盘的瞬时角速度和角加速度。还包括套在上转动盘上用苏绣制作的黑底蓝纹水滴视觉暂留图。

本发明的具体操作方式是这样的：当采用人力驱动时，无需安装摆杆定位装置，传动轴外端连接手轮，在上吊环对称的两螺纹孔内拧入摆杆，并在摆杆末端配相同质量的砝码，此时摆杆可在竖直平面的任意位置稳定，用手将传动轴推至两锥齿轮啮合并摇动，仪器转动后拉出传动轴使两齿轮分离。摆体会在竖直平面内的平衡位置即摆杆水平的位置附近做简谐运动，随着摆杆的转动，仪器的转动惯量随之交替减小增大，转动部分的水平转速遵循角动量守恒定律交替增大减小，转动盘上的刺绣水滴图也同时展现出不同的现象。

采用人力驱动的另一种演示方案只需在上吊环上拧入一个摆杆，将传动轴外抽使锥齿轮分离，用手抓住砝码抬起至一定高度，施加一个具有水平分力的顺时力后松手。砝码受到重力将会下落，随着砝码下落仪器的转动惯量减小，遵循角动量守恒定律水平转速将增大，维持砝码水平方向圆周运动所需的向心力随之增大，砝码下落到某一位置时维持圆周运动所需向心力大于重力在水平方向的分力，此后砝码下落的加速度会减小。若摆体从初始位置到最低点减小的重力势能大于期间增加的动能和损耗，则摆体可通过最低点，动能再次转化为重力势能，如此往返直至平衡，即摆体在竖直方向不再运动，仪器由于摩擦阻力转速逐渐减小至停止运动。

当采用电力驱动时，将摆杆定位装置的安装槽对准上轴套，插入上轴系两外连块之间，用定位螺栓将摆杆固定在定位板对应的某一角度，传动轴外端连接减速电机，启动电机待转速恒定后记录电机转速、转动盘转速，拉出传动轴关闭电机，待停止转动后更换砝码，在同一功率下做功相同时间记录实验数据，采用作差法得出能量与质量的关系，同理控制砝码质量不变，改变摆杆角度得到能量与转动半径的关系，并由转动能量与转动惯量的正比关系得到转动惯量的影响因素质量和转动半径的关系。

相比常规的物理实验，这种先由老师演示再由学生探究的实验更能培养学生的自主探究意识和创新思维，同时仪器在演示过程中所展示出的现象也更为新颖。

附图说明

图1为包含的整体主视图。

图2-1为仪器本体的主视图和俯视图，图2-2为仪器本体的侧视图。

图3为摆杆定位装置。

图4为上轴系视图。

图5为下轴系分解图。

图6为传动轴系主视图。

图7为视觉暂留图。

图中：001-摆杆002-砝码003-固定块004-底座005-减速电机

101-定位块102-定位板103-定位孔104-内连块105-安装槽106-导向孔

201-上吊环202-滚珠轴承203-上轴套204-外连块205-左支撑板206-右支撑板

207-垫片208-上轴301-上转动盘302-下轴套a303-下轴304-键a305-下转动盘

306-下轴套b307-下轴承套a308-角接触球轴承a309-键b310-下轴垫圈a

311-底座上板312-下轴垫圈b313-角接触球轴承b314-下轴承套b315-锥齿轮a

401-锥齿轮b402-滑动轴承套403-侧挡板404-滑动轴承405-传动轴406-键d。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，摆杆(001)一端与上吊环(201)之间采用螺纹连接固定，砝码(002)与摆杆另一端采用螺纹连接固定。摆杆定位装置(图3)可沿安装槽(105)插坐在仪器上轴系(图4)的两外连块(204)之间，用于探究实验时控制摆杆角度进行定量分析。上轴(208)安装到支撑板(205、206)上后套上垫片(207)，用螺母拧紧。支撑板穿过上转动盘(301)的两个l形孔，通过固定块(003)用螺钉固定在下转动盘(305)上。传动轴末端连接驱动设备手轮或减速电机(005)，分别用于演示和探究功能中驱动。

如图2-1所示，除去探究装置的仪器本体不包含驱动设备和数据采集设备，可直接通过对砝码(002)施加瞬时力来实现演示功能。

如图3所示，内连块(104)与定位板(102)间用四个螺钉紧固，定位块(101)位于两定位板之间，使用时先将定位块由导向孔(106)套入摆杆(001)，再将安装槽(105)对准上轴，安装完摆杆定位机构后把定位块(101)两侧的定位孔(103)对准定位板上的定位孔后拧入定位螺栓实现摆杆角度的确定。

如图4所示，上轴系由外向内依次为螺母、垫片(207)、支撑板(205、207)、外连块(204)、上轴套(203)、滚珠轴承(202)、上吊环(201)，安装顺序为先将两滚珠轴承(202)压入上吊环(201)后套入上轴(208)，再套入两上轴套(203)，安放到左支撑板(205)和右支撑板(207)的槽内，用垫片(207)和螺母紧固，在由上向下插入外连块(204)并用4个螺钉紧固。

如图5所示，下轴套a(302)与下轴(303)之间用键a(304)连接后插入下转动盘(305)，将上转动盘(301)套于下轴上端，从下轴下端套入下轴套b(306)，用四个紧定螺钉紧固转动盘与下轴，组成一体的转动部分。在底座上板(311)的上方依次安放下轴垫圈a(310)、角接触球轴承(308)、下轴承套a(307)，在其下依次安放下轴垫圈b(312)、角接触球轴承(313)、下轴承套b(314)，用四组螺栓螺母将这六个零件紧固在底座上板(311)。将前述转动部分整体插入轴承孔内，用键和螺钉将锥齿轮a(315)固定到下轴(303)。

如图6所示，传动轴(405)与锥齿轮b(401)之间用平键连接并以螺钉紧固。滑动轴承(404)穿过侧挡板(403)后套上滑动轴承套(402)，用4对螺栓螺母紧固。传动轴(405)穿过滑动轴承(404)，可在水平方向自由运动，实现锥齿轮b(401)与锥齿轮a(315)的啮合与分离。传动轴(405)的外端开有键槽，用键d(406)连接减速电机(005)及手轮。

如图7所示，选用水滴下落的视觉暂留图，采用黑色丝绸和蓝色的线，用苏绣的手法制作出刺绣水滴图覆盖上转动盘，从而使仪器转动时水平转速的大小能通过另一种新颖的形式被观察到。