本专利涉及一种探究转动惯量的演示装置与方法，属于物理实验领域。
背景技术：
在大学物理教学中转动定理及角动量定理应用是重要内容，也是教学难点，学生通常对刚体的转动惯量认识理解比较困难，也是单一的，比如，转动惯量计算其数值为，式中表示刚体的某个质点的质量，表示该质点到转轴的垂直距离，求和号（或积分号）遍及整个刚体；描述刚体绕互相平行诸转轴的转动惯量之间的关系，用平行轴定理：刚体对一轴的转动惯量，等于该刚体对同此轴平行并通过质心之轴的转动惯量加上该刚体的质量同两轴间距离平方的乘积；转动惯量只决定于刚体的形状、质量分布和转轴的位置，而同刚体绕轴的转动状态（如角速度的大小）无关。这样学生就会照搬公式只要形状、质量分布和转轴位置确定了，则转动惯量就确定了，这对学生似乎成了不变的结论，如何理解这一结论，缺少对应的实验装置演示，为培养学生的创新精神与实践能力，教师如何考虑、设计、研究系统转动惯量的相关问题，本专利就要解决这一问题。本专利是在国家自然基金项目（项目号：11405092）、黑龙江省省属高等学校基本业务费科研项目（项目号：135209251）及黑龙江省高等学校教改与应用项目（项目号：SJGY20170385）的支持下完成的。
参考文献：
梁法库、路峻岭. 可倒陀螺的机理与制作《物理实验》2002年第3期
梁法库 等. 一种翻转陀螺 ，中国专利，专利号2011204168963 授权日2012.07.11
梁法库 等. 力矩突变时的角动量变化规律的演示与分析《大学物理》 2004年02期
路峻岭等.力矩突变角动量守恒演示仪，中国专利，专利号03145953.6， 授权日2005.2.9
路峻岭等.导体滚球演示实验仪，中国专利，专利号03109128.8 ，授权日 2004.12.29
梁法库等.手持式力矩突变角动量守恒演示仪，中国专利， 专利号：201320388586.4 授权日：2013.11.20
技术实现要素：
本专利是解决刚体转动惯量的相关问题，着重设计两个刚体组合到一起的机械能守恒系统来研究解决这一问题的技术与方法。
本专利技术方案：一种探究转动惯量的装置与方法，主要由转盘、轻质刚性直杆（摆动杆）、支撑架（竖直支架）、支撑轴、直杆（固定杆）构成，其特征是：轻质刚性直杆的两端均有垂于直杆的两平行光滑通孔，转盘为均质转盘，转盘中心轴c通过轻质刚性直杆一端，且可以绕转盘中心轴c自由旋转，轻质刚性直杆另一端的通孔套在水平支撑轴上，在转盘上（距转盘中心轴c小于转盘半径的处）有一平行转盘中心轴c的通孔a，在轻质刚性直杆（摆动杆）的对应转盘的通孔a处也有与通孔a等大通孔d，将与通孔a相匹配（与转盘同质材料）直杆（固定杆）插入通孔a与通孔d使转盘与轻质刚性直杆固定在一起（不发生相对运动），所述直杆（固定杆）是两端带螺纹，直杆（固定杆）插入通孔a与通孔d，直杆（固定杆）两端通过螺母固定，这样轻质刚性杆与转盘构成一系统；卸下直杆（固定杆）两端固定螺母，直杆（固定杆）移出通孔d，这样轻质刚性杆与转盘构成一相对自由转动系统，所述支撑架为在水平平板上固定竖直杆制成的；
分别制作5个均质等质量转盘，其半径分别为R1<R2< R3 <R4 <R5 进行下面实验1与实验2演示：
实验1，在转盘可以绕转盘中心轴c自由旋转的情况下（直杆没有固定转盘与摆动杆），轻质刚性直杆（摆动杆）与竖直线成<释放，测量周期；
实验2，在直杆将转盘与轻质刚性直杆固定的情况下，轻质刚性直杆与竖直线成<释放，测量周期；
比较实验1与实验2，探究转盘随着半径减小时轻质刚性直杆摆动周期的规律。结果至少会发现，实验2随着转盘半径减小时，轻质刚性直杆摆动周期趋向于转盘可以绕转盘中心轴c自由旋转的实验1的演示情形的周期。
理论分析，由系统的柯尼希定理及机械能守恒定律（为讨论方便，忽略摆动杆质量及对轴转动惯量）讨论如下
A 对于转盘与摆动杆固定一起的摆动情况（固定式）
B 对于转盘与摆动杆没有固定一起的摆动情况（自由式）
、、 分别为摆动杆摆角、角速度、转盘可以绕转盘中心轴c自由旋转的角速度
、、分别为轻质刚性直杆（摆动杆）杆长（转盘中心轴到支撑轴的距离）、转盘质量、转盘半径
对A表达式求导得出
同理，对B自由情况表达式求导得出
这就是学生熟悉的转动定理形式，进而得出小摆动角时的摆动周期T分别与及的关系式（略）。
可见，两种情况转动惯量不同，但是都属于：形状、质量分布和转轴位置确定的情况。
从推出的转动定理形式可以看出，自由情况系统对支撑轴的转动惯量是，而不是，如果先从转动定理求解，直接列出自由情况的转动惯量是，学生是很难接受的，通过设计这一实验去探究，会使学生对前面所述的转动惯量只决定于刚体的形状、质量分布和转轴的位置，而同刚体绕轴的转动状态（如角速度的大小）无关，这一结论重新认识（在系统是整块刚体时才成立的），这是一个具有明显的新颖性、独特性、创造性强的探索性实验，有利于大学生对刚体转动惯量的理解。
本专利它的独特之处是与现有实验不同，通过一机械能守恒的系统给出转动定理形式，确定转动惯量；通过几种实验的摆动周期探究转动惯量大小，来实现对系统转动惯量的理解与认识，对学生理解转动惯量意义重大。制作极其简易，效果明显，在教学中推广会增加更多的教育功能。
附图说明
附图1为本专利的原理示意图。
附图2为本专利的结构正视示意图。
附图3为本专利的结构侧视示意图。
其中：1.转盘，2.轻质刚性直杆（摆动杆），3.支撑架（竖直支架），4.支撑轴（水平支撑轴），5.直杆（固定杆）。
具体实施方式
如附图1：一种探究转动惯量的装置与方法，主要由转盘1、轻质刚性直杆（摆动杆）2、支撑架（竖直支架）3、支撑轴4、直杆（固定杆）5构成，其特征是：轻质刚性直杆2的两端均有垂于直杆的两平行光滑通孔，转盘1为均质转盘，转盘1中心轴c通过轻质刚性直杆2一端，且可以绕转盘1中心轴c自由旋转，轻质刚性直杆2另一端的通孔套在水平支撑轴4上，在转盘1上（距转盘中心轴c小于转盘1半径的处）有一平行转盘1中心轴c的通孔a，在轻质刚性直杆2（摆动杆）的对应转盘1的通孔a处也有与通孔a等大通孔d，将与通孔a相匹配（与转盘同质材料）直杆（固定杆）5插入通孔a与通孔d使转盘1与轻质刚性直杆2固定在一起（不发生相对运动），所述直杆（固定杆）5是两端带螺纹，直杆（固定杆）5插入通孔a与通孔d，直杆（固定杆）5两端通过螺母固定，这样轻质刚性杆2与转盘1构成一系统；卸下直杆（固定杆）5两端固定螺母，直杆（固定杆）5移出通孔d，这样轻质刚性杆2与转盘1构成一相对自由转动系统，所述支撑架3为在水平平板上固定竖直杆制成的；分别制作5个均质等质量转盘1，其半径分别为R1<R2< R3 <R4 <R5 （均在轻质刚性直杆2的对应转盘1的通孔a处有与通孔a等大通孔d）进行下面实验1与实验2演示：
实验1，在转盘1可以绕转盘中心轴c自由旋转的情况下，轻质刚性直杆2与竖直线成<释放，测量周期；
实验2，在直杆5将转盘1与轻质刚性直杆2固定的情况下，轻质刚性直杆2与竖直线成<释放，测量周期；
比较实验1与实验2，探究转盘1随着半径减小时轻质刚性直杆2摆动周期的规律。