可以验证刚体转动惯量垂直轴定理的三线摆的制作方法

本发明属于力学实验仪器技术领域，尤其涉及可以验证刚体转动惯量垂直轴定理的三线摆。

背景技术：

三线摆是大学物理试验中用于测量刚体转动惯量常用的力学实验仪器，包括支架、上盘、下盘、以及设于上盘和下盘之间的三根悬线，其中下盘用来放置待测刚体，利用放置待测刚体前后三线摆转动周期和质量的变化来测量待测物体的转动惯量。

目前的大学物理试验中，一般都做刚体转动惯量的平行轴定理的验证试验，但是却不做刚体转动惯量的垂直轴定理的验证试验，因此，亟需一种可以验证刚体转动惯量垂直轴定理的三线摆试验仪器。

另外，三线摆上待测刚体的大小是由三根悬线所确定的空间范围限定的，目前现有技术中的三线摆悬线的三个固定点到下盘中心的距离是固定的，所以待测刚体的最大尺寸也是固定的，因此当待测刚体的尺寸超出三根悬线所确定的空间范围时，会与悬线之间发生干涉，因此无法进行使用与测量，造成试验无法进行；当然也可以通过把三线摆设计的大一些来解决以上问题，但是这样会造成三线摆的体积增大、占用空间增大、成本增高的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作方便、可以做验证刚体转动惯量垂直轴定理的可以验证刚体转动惯量垂直轴定理的三线摆，且悬线可调可适用不同尺寸的待测刚体，可有效减小三线摆的体积以及占用空间，从而降低成本。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：可以验证刚体转动惯量垂直轴定理的三线摆，包括底座、固定于所述底座上的立杆、固定于所述立杆上端的横杆、上盘、下盘及设于所述上盘与所述下盘之间的三根悬线，还包括测试件支撑架，所述测试件支撑架上设置有与所述下盘接触的支撑部，所述测试件支撑架上还竖向设置有测试件卡槽；

还包括与所述测试件卡槽匹配的垂直轴定理测试件，所述垂直轴定理测试件为设置有两个相邻并相互垂直的直线边的薄片状物体。

作为优选的技术方案，所述垂直轴定理测试件的表面设置有用于定位所述垂直轴定理测试件的质心的镂空定位标志。

作为优选的技术方案，所述垂直轴定理测试件的两个表面分别都设置有第一标志线和第二标志线，所述第一标志线与所述垂直轴定理测试件的其中一直线边垂直且延长线穿过质心在所述垂直轴定理测试件表面上的投影点，所述第二标志线与所述垂直轴定理测试件的另一直线边垂直且延长线穿过质心在所述垂直轴定理测试件表面上的投影点；所述测试件支撑架上对应设置有与所述第一标志线或所述第二标志线配合的支撑架标志线，所述第一标志线或所述第二标志线分别与所述支撑架标志线重合时，所述垂直轴定理测试件的质心和所述测试件支撑架的质心在水平面上的投影重合。

作为优选的技术方案，还包括放置于所述下盘上用于覆盖所述垂直轴定理测试件的降风阻罩，所述降风阻罩为呈中心对称的弧形罩体。

作为优选的技术方案，所述下盘的外周面上均布设置有三个安装孔，三个所述安装孔的中心线均与所述下盘的轴心线上的一点相交，三个所述安装孔内分别对应安装有伸缩杆，所述悬线的下端固定连接在所述伸缩杆的外端。

作为优选的技术方案，所述横杆包括与所述立杆固定连接的固定滑轨，所述固定滑轨内滑动安装有活动滑轨，所述上盘固定安装在所述活动滑轨的外端。

由于采用了上述技术方案，可以验证刚体转动惯量垂直轴定理的三线摆，包括底座、固定于所述底座上的立杆、固定于所述立杆上端的横杆、上盘、下盘及设于所述上盘与所述下盘之间的三根悬线，还包括测试件支撑架，所述测试件支撑架上设置有与所述下盘接触的支撑部，所述测试件支撑架上还竖向设置有测试件卡槽；

还包括与所述测试件卡槽匹配的垂直轴定理测试件，所述垂直轴定理测试件为设置有两个相邻并相互垂直的直线边的薄片状物体；本发明的有益效果是：

一、由于所述测试件卡槽的设置，使得所述测试件支撑架具有支撑与定位的作用，一方面用于支撑与安装所述垂直轴定理测试件，另一方面安装时与所述垂直轴定理测试件之间定位，间接实现所述垂直轴定理测试件与所述下盘之间的定位，使得试验过程中，操作更加简单方便；

二、所述垂直轴定理测试件的两个表面分别都设置有第一标志线和第二标志线，所述第一标志线与所述第二标志线的交点处与所述垂直轴定理测试件的质心在所述垂直轴定理测试件表面上的投影点重合，所述测试件支撑架上对应设置有与所述第一标志线或所述第二标志线配合的支撑架标志线，所述第一标志线或所述第二标志线配合的支撑架标志线，可实现所述垂直轴定理测试件与所述测试件支撑架之间的准确定位；

三、所述伸缩杆可以沿着所述安装孔向外伸出，与现有技术中不具有调节功能相比，本发明悬线形成的空间可调，可适用不同尺寸的待测刚体，可有效减小三线摆的体积以及占用空间，从而降低成本，增加使用的方便性；

四、将所述降风阻罩罩在所述垂直轴定理测试件以及所述测试件支撑架外，所述降风阻罩可以有效的减小所述垂直轴定理测试件的风阻，提高试验测量的准确性；

五、本发明结构简单、操作方便、可以做验证刚体转动惯量垂直轴定理，且悬线可调可适用不同尺寸的待测刚体，可有效减小三线摆的体积以及占用空间，从而降低成本。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的主视图；

图3是本发明实施例的侧视图；

图4是本发明实施例的俯视图；

图5是本发明实施例安装降风阻罩后的结构示意图；

图6是本发明实施例垂直轴定理测试件的结构示意图；

图7是本发明实施例测试件支撑架的结构示意图；

图8是本发明实施例伸缩杆在安装孔内伸出前的结构示意图；

图9是本发明实施例伸缩杆在安装孔内伸出后的结构示意图；

图中：1-底座；2-立杆；3-横杆；31-固定滑轨；32-活动滑轨；4-上盘；5-下盘；51-下盘定位线；52-安装孔；53-伸缩杆；6-悬线；7-测试件支撑架；71-支撑部；72-测试件卡槽；73-支撑架定位线；74-支撑架标志线；8-垂直轴定理测试件；81-镂空定位标志；82-第一标志线；83-第二标志线；9-降风阻罩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

实施例一：

如图1至图4所示，可以验证刚体转动惯量垂直轴定理的三线摆，包括底座1、固定于所述底座1上的立杆2、固定于所述立杆2上端的横杆3、上盘4、下盘5及设于所述上盘4与所述下盘5之间的三根悬线6，所述底座1具有支撑作用，作为本实施例的安装基体，所述上盘4与所述下盘5平行对应设置，所述上盘4可相对于所述横杆3转动，用于带动所述下盘5转动，其中，三根悬线6均匀布置，将所述上盘4与所述下盘5连接，当所述上盘4转动时，通过悬线6带动所述下盘5转动，实现待测刚体的转动，用于实现转动惯量的测量试验；三线摆还包括放置在所述下盘5上的测试件支撑架7，所述测试件支撑架7上设置有与所述下盘5接触的支撑部71，所述测试件支撑架7上还竖向设置有测试件卡槽72，所述测试件支撑架7水平放置的时候，所述测试件卡槽72的侧壁方向为垂直方向，用于保证当垂直轴定理测试件安装后，能一直保持垂直状态，有利于转动惯量测量结果的准确性；三线摆还包括与所述测试件卡槽72匹配的垂直轴定理测试件8，所述垂直轴定理测试件8为设置有两个相邻并相互垂直的直线边的薄片状物体，在本实施例中，为了能实现垂直轴定理的试验测定，理论上要求所述垂直轴定理测试件8不具有厚度，但是由于任何实际存在的刚体都是有厚度的，不可能有零厚度的刚体，而如果厚度过大，将得不到垂直轴定理，因此本实施例中所述薄片状物体为厚度很薄的薄片刚体，所述薄片状物体的厚度为2mm-10mm，一个直角边的长度为100-150mm，另一个直角边的长度为160mm-200mm，在本实施例中，所述薄片状物体的厚度为5mm，因此对应的所述测试件卡槽72的厚度也为5mm，保证配合安装时，所述薄片状物体可以直立，所述薄片状物体是本领域普通工程技术人员所公知的，在此不再赘述；此外，理论上，如果所述薄片状物体的厚度较大时，所述薄片状物体应该是具有两个相邻并相互垂直的平面，用于实现所述薄片装物体的直立，但是由于在本实施例中，所述薄片状物体的厚度很小，因此将两个相邻并相互垂直的平面直接定义为两个相邻并相互的直线边，此种定义说法属于本领域普通工程技术人员所能理解的，在此不再赘述。所述薄片状物体具有两个相邻并相互垂直的直线边，两直线边的设置可以用于测量jx和jy，可以更加方便的将所述薄片状物体放置到所述测试件卡槽72内，使得试验过程简单方便。

试验时，首先将所述垂直轴定理测试件8放置到所述测试件支撑架7上，放置过程中，将所述垂直轴定理测试件8的直线边伸入至所述测试件卡槽72内，然后再将所述测试件支撑架7放置到所述下盘5上，然后通过转动所述上盘4，使得所述下盘5、放置到所述下盘5上的所述测试件支撑架7以及所述垂直轴定理测试件8转动，从而来测定垂直轴定理测试件8的转动惯量；由于所述测试件卡槽72的设置，使得所述测试件支撑架7具有支撑与定位的作用，一方面用于支撑与安装所述垂直轴定理测试件8，另一方面安装时与所述垂直轴定理测试件8之间定位，间接实现所述垂直轴定理测试件8与所述下盘5之间的定位，使得试验过程中，操作更加简单方便。

为了保证所述测试件支撑架7与所述下盘5之间定位的准确性，因此，在所述下盘5的上表面设置下盘定位线51，在本实施例中，所述下盘定位线51为十字型定位线，十字型定位线的中心与所述下盘5的上表面中心重合，同时，在所述测试件支撑架7的侧部设置有与所述下盘定位线51对应的支撑架定位线73，当所述支撑架定位线73与所述下盘定位线51对齐后，所述测试件支撑架7的质心和所述下盘5的质心在水平面上的投影重合。所述测试件支撑架7安装时，将所述支撑架定位线73与所述下盘定位线51对齐，因此，可更加容易的找到所述测试件支撑架7的安装位置，使得试验操作更加简单便捷，且保证试验的准确性。

参见图6，所述垂直轴定理测试件8的表面设置有用于定位所述垂直轴定理测试件8的质心的镂空定位标志81。在本实施例中，所述镂空定位标志81为镂空的圆孔，当然也可以为其他具有方便标识质心的标志，例如在镂空圆孔或者异形孔的中心具有十字型交叉杆，十字型交叉杆的中心即为质心，此种方式也可以用于方便标识质心的位置。在水平放置所述垂直轴定理测试件8测量转动惯量时，可以方便把所述垂直轴定理测试件8的质心对准所述下盘5的中心，使得试验过程更加简单方便。

参见图7，所述垂直轴定理测试件8的两个表面分别都设置有第一标志线82和第二标志线83，所述第一标志线82与所述垂直轴定理测试件8的其中一直线边垂直且延长线穿过所述垂直轴定理测试件8的质心在所述垂直轴定理测试件8表面上的投影点，所述第二标志线83与所述垂直轴定理测试件8的另一直线边垂直且延长线穿过所述垂直轴定理测试件8的质心在所述垂直轴定理测试件8表面上的投影点，所述第一标志线82与所述第二标志线83的交点处与所述垂直轴定理测试件8的质心在所述垂直轴定理测试件8表面上的投影点；所述测试件支撑架7上对应设置有与所述第一标志线82或所述第二标志线83配合的支撑架标志线74，所述第一标志线82或所述第二标志线83分别与所述支撑架标志线74重合时，所述垂直轴定理测试件8的质心和所述测试件支撑架7的质心在水平面上的投影重合。

当所述垂直轴定理测试件8在直立的时候，会产生较大的空气阻力，为了防止试验过程中风阻对所述薄片状物体的影响，因此三线摆还包括放置于所述下盘5上用于覆盖所述垂直轴定理测试件8的降风阻罩9，参见图5，所述降风阻罩9为呈中心对称的弧形罩体，所述降风阻罩9为透明罩体，可以用于方便观察内部部件的运动情况。试验时，将所述降风阻罩9罩在所述垂直轴定理测试件8以及所述测试件支撑架7外，所述降风阻罩9可以有效的减小所述垂直轴定理测试件8的风阻，提高试验测量的准确性。

所述测试件支撑架7由轻质材料组成，比如塑料等；所述垂直轴定理测试件8由比重大的材料组成，例如采用铁、铅等金属材料制作，可以更好的演示实验效果。

垂直轴定理的验证试验方法：

垂直轴定理(也叫正交轴定理)是一个物理学定理，可以用来计算一片薄片的转动惯量。思考一个空间直角坐标系，其中两个坐标轴平行于此薄片；如果已知此薄片相对于这两个坐标轴的转动惯量，则垂直轴定理可以用来计算薄片相对于第三个坐标轴的转动惯量。对一薄片建立空间直角坐标系，使此薄片位于xoy平面上。令jx、jy、jz分别为此薄片相对于x、y、z轴的转动惯量，则有jz＝jx+jy。

验证垂直轴定理的实验步骤：

步骤一、先把垂直轴定理测试件8的一个直线边插到测试件支撑架7的插槽中，第一标志线82(或第二标志线83)与测试件支撑架7的支撑架标志线74对齐。

步骤二、把垂直轴定理测试件8和测试件支撑架7一同放在下盘5上，两者的质心与下盘5的中心对齐，这时旋转轴平行于垂直轴定理测试件8所在平面，然后盖上降风阻罩9，测量垂直轴定理测试件8当前位置的转动惯量，这个转动惯量设为jx。

步骤三、再把垂直轴定理测试件8的另一个直线边插到测试件支撑架7的插槽中，第二标志线83(或第一标志线82)与测试件支撑架7的支撑架标志线74对齐。

步骤四、把垂直轴定理测试件8和测试件支撑架7一同放在下盘5上，两者的质心与下盘5的中心对齐，这时旋转轴平行于垂直轴定理测试件8所在平面，然后盖上降风阻罩9，测量垂直轴定理测试件8当前位置的转动惯量，这个转动惯量设为jy。

步骤五、再把垂直轴定理测试件8从测试件支撑架7上取下，然后把垂直轴定理测试件8平放在下盘5上，垂直轴定理测试件8的质心对准下盘5的中心，这时旋转轴垂直于垂直轴定理测试件8所在平面，然后测试当前垂直轴定理测试件8当前位置的转动惯量，这个转动惯量为jz。

步骤六、最后比较jz与jx+jy之间的数值，如果数据吻合较好，就可以判定垂直轴定理是正确的，垂直轴定理的验证过程完成。

实施例二：

实施例二是在实施例一的基础上进一步的对所述下盘5以及所述横杆3进行改进，因此，与实施例一相同的部分在此不再赘述，仅对所述下盘5与所述横杆3进行具体说明。

参见图8和图9，所述下盘5的外周面上均布设置有三个安装孔52，三个所述安装孔52的中心线均与所述下盘5的轴心线上的一点相交，三个所述安装孔52内分别对应安装有伸缩杆53，所述悬线6的下端固定连接在所述伸缩杆53的外端，由于所述伸缩杆53可以在所述安装孔52内滑动，因此，使用时，可以手动调节所述伸缩杆53相对于所述下盘5外周面的伸出位置，当所述伸缩杆53相对于所述下盘5外周面的伸出长度较短时，参见图8，这样，三根悬线6形成的空间较小，可以用于测量尺寸较小的测试件，当所述伸缩杆53相对于所述下盘5外周面的伸出长度较长时，参见图9，这样，三根悬线6形成的空间较大，可以用于测量尺寸较大的测试件，调节过程中，要保证三个所述伸缩杆53的伸出长度是相同的，保证所述下盘5是水平的，用于保证测量的准确性。所述伸缩杆53可以沿着所述安装孔52向外伸出，与现有技术中不具有调节功能相比，本实施例悬线6形成的空间可调，可适用不同尺寸的待测刚体，可有效减小三线摆的体积以及占用空间，从而降低成本，增加使用的方便性。

当所述伸缩杆53的伸出长度较长时，为了防止所述伸缩杆53或被测刚体与所述立杆2之间造成干涉，因此进一步的对所述横杆3进行设计。参见图4，所述横杆3包括与所述立杆2固定连接的固定滑轨31，所述固定滑轨31内滑动安装有活动滑轨32，所述上盘4固定安装在所述活动滑轨32的外端，所述活动滑轨32可以沿着所述固定滑轨31滑动，当所述伸缩杆53的伸出长度较长时，同时调节所述活动滑轨32，使得所述活动滑轨32相对于所述固定滑轨31向外运动，即使得所述上盘4向着远离所述立杆2方向运动，这样，所述下盘5也被带动远离所述立杆2运动，可以有效避免所述伸缩杆53与所述立杆2之间造成干涉。

本发明结构简单、操作方便、可以做验证刚体转动惯量垂直轴定理，且悬线可调可适用不同尺寸的待测刚体，可有效减小三线摆的体积以及占用空间，从而降低成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。