一种角动量守恒综合实验仪以及方法

本发明涉及一种实验室测量仪器，具体涉及一种实现角动量定量测量演示的装置。

背景技术：

1、现有的物理实验中并没有定量研究角动量守恒的实验。例如，如下图1所示为现有的一种角动量守恒定性演示实验装置。其实验操作如下：1.用手拨动角动量守恒仪的红色球01，使之快速转动起来。2.用力上下移动立柱上的螺钉02，使红色球01与转轴03的距离发生变化。实验现象：当球01与转轴03距离近时，球01的转动速度快；当球01与轴03距离远时，球01的转动速度慢，而它角动量是不变的。

2、然而，这些现有的仪器仅仅能够完成定性观察，显然无法令人信服，也无法体现物理学严谨科学的学科态度；从学生的角度来看，缺少定量的研究，对规律本身的理解和印象也不够深刻。因此，本发明拟研制用于定量研究角动量守恒的实验装置，弥补上述缺陷。

技术实现思路

1、为解决上述技术中存在的问题，本发明提供一种实现自动化可控制进行角动量参数守恒验证的仪器。

2、本发明提供的角动量守恒实验测量方法，其包括:

3、步骤1：转动惯量的改变，通过丝杆和步进电机，实现刚体转动过程中转动惯量的改变；

4、步骤2：转动惯量的测量，通过和转轴相连接的可编程电机给刚体施加力矩，通过光电门测速器测量刚体绕轴转动的角速度，并计算得到角加速度，进而得出转动惯量；改变转动惯量，测量改变前后，刚体相对于转轴的转动惯量分别为j1和j2；

5、步骤3：角动量的测量，在已知转动惯量的基础上，撤去外力矩；让刚体绕轴做自由转动，期间改变转动惯量，测量转动惯量分别为j1和j2时刚体的ω1和ω2；角动量等于转动惯量和转速的乘积，即l1＝j1ω1和l2＝j2ω2。

6、优选地，在步骤1中，基于单片机，实现通过操控丝杆上物块的移动来控制装置的转动惯量；在步骤2中，通过和转轴相连的可编程电机对刚体施加外力矩，该外力矩通过测量面板实时给出具体数值；通过光电门测速器，测量刚体转动的速度，并进而通过计算分析得到角加速度，并由转动定律求出转动惯量；

7、在步骤3中，撤去外力矩后，在刚体自由转动情况下，通过光电门和光电测速器，测量刚体绕轴转动的角速度，进而求出角动量。

8、本发明提供的一种角动量守恒综合实验仪，其包括主控制电路板、旋转单元、丝杆控制电路板、丝杆调节单元和光电门测速器，所述主控制电路板控制连接所述旋转单元，所述旋转单元与丝杆调节单元连接，所述丝杆控制电路板与所述丝杆调节单元的调节电机控制连接；所述丝杆调节单元上具有配重块，所述丝杆控制电路板通过所述调节电机而控制所述配重块进行位置调节而改变转动惯量；所述光电门测速器用于测量所述配重块的转速。

9、本发明提供的所述的角动量守恒综合实验仪，所述主控制电路板设置在下外壳内，所述下外壳内部设置有旋转电机，所述下外壳上侧具有上外壳，所述旋转电机的输出端穿过所述上外壳而连接下盘，所述下盘的中部设置所述丝杆控制电路板，所述下盘通过连接杆而连接上盘，所述上盘上设置有所述丝杆调节单元，所述丝杆调节单元包括安装座，所述安装座上具有调节丝杆，所述调节丝杆上设置配重块，所述安装座的端部为调节电机。

10、优选地，所述丝杆控制电路板包括esp32c3模组电路、7.4v锂电池充电管理电路、开关机电路、7.4v-24v升压电路、步进电机驱动电路、7.4v转5v电路、7.4v转3.3v电路、usb检测电路、电池电量检测电路及type-c接口电路。

11、优选地，还包括遥控器电路，所述遥控器电路用于控制所述主控制器电路板和所述丝杆控制电路板，所述遥控器电路包括esp32c3模组电路、显示屏及其外围电路、锂电池管理电路、5v转3.3v线性稳压电路、按键电路、蜂鸣器驱动电路、type-c接口电路及usb转串口电路。

12、优选地，所述主控制器电路板包括esp32s3模组电路、12832oled显示屏电路、输入输出接口电路、24v电源输入电路、电源滤波电路、24v转5v电路、线性稳压电路、电机驱动及电流检测电路、转速检测接口电路、离合器驱动电路、type-c接口电路、gpio扩展接口电路。

技术特征：

1.一种角动量守恒实验测量方法，其特征在于，包括:

2.根据权利要求1所述的角动量守恒实验测量方法，其特征在于，

3.一种角动量守恒综合实验仪，其特征在于，包括主控制电路板、旋转单元、丝杆控制电路板、丝杆调节单元和光电门测速器，所述主控制电路板控制连接所述旋转单元，所述旋转单元与丝杆调节单元连接，所述丝杆控制电路板与所述丝杆调节单元的调节电机控制连接；所述丝杆调节单元上具有配重块，所述丝杆控制电路板通过所述调节电机而控制所述配重块进行位置调节而改变转动惯量；所述光电门测速器用于测量所述配重块的转速。

4.根据权利要求3所述的角动量守恒综合实验仪，其特征在于，所述主控制电路板设置在下外壳内，所述下外壳内部设置有旋转电机，所述下外壳上侧具有上外壳，所述旋转电机的输出端穿过所述上外壳而连接下盘，所述下盘的中部设置所述丝杆控制电路板，所述下盘通过连接杆而连接上盘，所述上盘上设置有所述丝杆调节单元，所述丝杆调节单元包括安装座，所述安装座上具有调节丝杆，所述调节丝杆上设置配重块，所述安装座的端部为调节电机。

5.根据权利要求4所述的角动量守恒综合实验仪，其特征在于，所述丝杆控制电路板包括esp32c3模组电路、7.4v锂电池充电管理电路、开关机电路、7.4v-24v升压电路、步进电机驱动电路、7.4v转5v电路、7.4v转3.3v电路、usb检测电路、电池电量检测电路及type-c接口电路。

6.根据权利要求4所述的角动量守恒综合实验仪，其特征在于，还包括遥控器电路，所述遥控器电路用于控制所述主控制器电路板和所述丝杆控制电路板，所述遥控器电路包括esp32c3模组电路、显示屏及其外围电路、锂电池管理电路、5v转3.3v线性稳压电路、按键电路、蜂鸣器驱动电路、type-c接口电路及usb转串口电路。

7.根据权利要求4所述的角动量守恒综合实验仪，其特征在于，所述主控制器电路板包括esp32s3模组电路、12832oled显示屏电路、输入输出接口电路、24v电源输入电路、电源滤波电路、24v转5v电路、线性稳压电路、电机驱动及电流检测电路、转速检测接口电路、离合器驱动电路、type-c接口电路、gpio扩展接口电路。

技术总结
本发明提供一种角动量守恒综合实验仪以及方法，其包括下面的步骤:步骤1：转动惯量的改变，通过丝杆和步进电机，实现刚体转动过程中转动惯量的改变；步骤2：转动惯量的测量，通过和转轴相连接的可编程电机给刚体施加力矩，通过光电门测速器测量刚体绕轴转动的角速度，并计算得到角加速度，进而得出转动惯量；改变转动惯量，测量改变前后，刚体相对于转轴的转动惯量分别为J<subgt;1</subgt;和J<subgt;2</subgt;；步骤3：角动量的测量，在已知转动惯量的基础上，撤去外力矩；让刚体绕轴做自由转动，期间改变转动惯量，测量转动惯量分别为J<subgt;1</subgt;和J<subgt;2</subgt;时刚体的ω<subgt;1</subgt;和ω<subgt;2</subgt;；角动量等于转动惯量和转速的乘积，即L<subgt;1</subgt;＝J<subgt;1</subgt;ω<subgt;1</subgt;和L<subgt;2</subgt;＝J<subgt;2</subgt;ω<subgt;2</subgt;。

技术研发人员：陈梓豪,张世辉,周子钦,冯陆洋
受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16