演示角动量守恒与转动惯量的综合演示仪及其演示方法

摘要

本发明涉及一种演示角动量守恒与转动惯量的综合演示仪，其特征在于：包括单片机，拉绳电机，变频驱动电机，单片机作为所述综合演示仪的控制中心；还包括支撑轴，支撑轴上设有随之转动的旋转臂，旋转臂两侧各套设一个重球，重球与沿拉绳连接，并由拉绳电机带动，拉动两个重球沿旋转臂同步向内/向外移动；支撑轴与下方的外转盘的中心连接，外转盘下方具有卡槽，卡槽呈齿轮形状；卡槽内设有内转盘，内转盘上通过扭簧与卡板固定连接，卡板与卡槽对应；变频驱动电机开启，内转盘由变频驱动电机带动转动，扭簧变形，卡板与卡槽啮合，带动外传盘转动，外传盘带动支撑轴转动；变频驱动电机停机，内转盘转速小于外传盘的转速，扭簧复位，卡板脱离卡槽。

说明书

技术领域

本发明涉及一种演示角动量守恒与转动惯量的综合演示仪及其演示方 法，属于科教器材技术领域。

背景技术

随着科教产品的更新换代和发展，社会需要的提高，高校和一些科研 厂商也将目光转向科教产品市场。角动量守恒定律是自然界最普遍的定律 之一，角动量守恒和转动定理在现实生活中有着广泛的应用，如在航天事 业中模拟重力的运用；转动定理和角动量守恒定理又是力学重要的两个知 识点，然而，现有角动量守恒和转动惯量定理的原理演示教学装置都是分 开来的。

一般验证角动量守恒的装置为一张可绕竖直转轴自由旋转的转椅，显 示方法为：演示者坐在转椅上，手握哑铃，两臂平伸。使转椅转动起来， 然后收缩双臂，可看到人和凳的转速显著加大。两臂再度平伸，转速减慢。 这是因为绕固定转轴转动的物体的角动量等于其转动惯量与角速度的乘 积，而外力矩等于零时，角动量守恒。当人收缩双臂时，转动惯量减小， 因此角速度增加。

一般验证转动惯量的装置为两个刚性物体分别进行转动惯量演示，对 其进行对比，从而验证了转动惯量的原理，其结果仅能用肉眼观察。

综上所述，现有的转动惯量演示装置和角动量守恒演示装置是独立的 两个装置，分别需要进行演示，而且无数字显示，只能肉眼观察，演示效 果不佳。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有的转动惯量演示装置和角动量守 恒演示装置是独立的两个装置，需要进行分别演示，而且演示效果不佳。 为了更好地研究和显示其物理原理，本发明将二者巧妙地结合起来，运用 计算机控制技术，研制出的一种新型的角动量守恒与转动惯量综合演示仪。 将角动量守恒和转动惯量定理原理通过同一仪器演示出来，并实现动态过 程的可视化。

本发明采取以下技术方案：

一种演示角动量守恒与转动惯量的综合演示仪，包括单片机，拉绳电 机，变频驱动电机，所述单片机作为所述综合演示仪的控制中心，能够获 取所述变频驱动电机的转速；还包括支撑轴2，所述支撑轴2上设有随之转 动的旋转臂4所述旋转臂4两侧各套设一个重球1，所述重球1与沿拉绳3 连接，所述拉绳3沿旋转臂4设置，并由所述拉绳电机带动，拉动两个重 球沿所述旋转臂4同步向内/向外移动；所述支撑轴2与下方的外转盘7的 中心连接，所述外转盘7下方具有卡槽701，所述卡槽701呈齿轮形状；所 述卡槽701内设有内转盘8，所述内转盘8上通过扭簧802与卡板801固定 连接，所述卡板801与所述卡槽701对应；所述变频驱动电机开启，所述 内转盘8由变频驱动电机带动转动，扭簧802变形，卡板801与卡槽701 啮合，带动外传盘7转动，所述外传盘7带动支撑轴2转动；所述变频驱 动电机停机，内转盘8转速小于外传盘7的转速，扭簧802复位，卡板801 脱离所述卡槽802。

还包括显示屏5，所述显示屏5与所述单片机连接，能够显示所述变频 驱动电机的转速。

还包括按键6，所述按键6与所述单片机连接。

一种使用上述综合演示仪进行角动量守恒的演示方法，包括以下步骤：

1）小球设于旋转臂4两端；

2）开动变频驱动电机，支撑轴2带动转动，旋转臂4转动， 重球1同步转动；

3）达到设定转速后，变频驱动电机停机，卡板801与卡槽701 分离；

4）拉绳电机带动拉绳3向内侧拉动，两个重球1同步沿旋转 臂4向内滑动，旋转臂转速加快；

5）拉绳电机拉动拉绳3向外侧拉动，两个重球1同步沿旋转 臂4向外滑动，旋转臂转速减慢。

一种使用上述综合演示仪进行转动惯量演示的方法，其特征在于，包 括以下步骤：

1）小球设于旋转臂4两端；

2）开动变频驱动电机，支撑轴2带动转动，旋转臂4转动， 重球1同步转动；

3）记录显示屏5上显示的转速；

4）变频驱动电机停机，卡板801与卡槽701分离，旋转臂4 惯性转动；

5）记录旋转臂4直到停下所需的时间；

6）启动拉绳电机，拉绳拉动重球4向中间移动一段距离后停 下，重复上述步骤1）、2）；

7）直至转速与步骤3）中的转速相同；

8）重复步骤4）、5）。

本发明的特点在于：角动量守恒原理与转动惯量的定理的演示结合在 同一实验装置中，利用单片机作为控制系统，通过按键进行实际操作的控 制。同时，巧妙利用了卡盘与卡板的结构，结构简单，利用扭簧，卡板竖 直方向无需脱离卡槽就能实现卡板与卡槽的分离，方便的实现了对支撑轴2 的驱动和停止驱动。

本发明针对现有角动量守恒和转动惯量定理原理演示装置都是分别演 示的的现状，将二者巧妙地结合起来，通过单片机的控制，可以对两个原 理进行综合的演示，能更加清楚的看到整个原理演示的动态变化过程，随 时记录变化数据。

本发明的有益效果在于：

（1）结构合理、成本较低。

（2）使用方便且周期长。

（3）具有较高的安全性、科学性。

（4）可视化程度高，具有人性化设计。

（5）具有商业价值，和创造较大的经济效益。

附图说明

图1是本发明的角动量守恒与转动惯量综合演示仪的外形示意图。

图2是外传盘的主视示意图。

图3是外转盘的仰视示意图。

图4是内转盘的仰视示意图。

图5是外传盘与内转盘啮合后的仰视示意图。

图6是外传盘与内转盘分开后的仰视示意图。

图7是内转盘及其上通过扭簧连接的卡板的立体示意图。

其中，1、重球，2、支撑轴，3、拉绳，4、旋转臂，5、显示屏，6、 按键，7、外传盘，8、内转盘，701、卡槽，801卡板，802。扭簧。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明。

如图1-7所示，一种演示角动量守恒与转动惯量的综合演示仪，包括 单片机，拉绳电机，变频驱动电机，单片机作为所述综合演示仪的控制中 心，能够获取所述变频驱动电机的转速；还包括支撑轴2，支撑轴2上设有 随之转动的旋转臂4所述旋转臂4两侧各套设一个重球1，重球1与沿拉绳 3连接，拉绳3沿旋转臂4设置，并由所述拉绳电机带动拉动，拉动两个重 球沿所述旋转臂4同步向内/向外移动；支撑轴2与下方的外转盘7的中心 连接，外转盘7下方具有卡槽701，卡槽701呈齿轮形状；卡槽701内设有 内转盘8，内转盘8上通过扭簧802与卡板801固定连接，卡板801与卡槽 701对应；变频驱动电机开启，内转盘8由变频驱动电机带动转动，扭簧 802变形，卡板801与卡槽701啮合，带动外传盘7转动，外传盘7带动支 撑轴2转动；变频驱动电机停机，内转盘8转速小于外传盘7的转速，扭 簧802复位，卡板801脱离所述卡槽802。还包括显示屏5，显示屏5与单 片机连接，能够显示变频驱动电机的转速。还包括按键6，所述按键6与所 述单片机连接，对所述综合演示仪进行操作控制。

如附图1所示，接通电源线，打开电源开关，显示屏上显示“角动量 守恒和转动惯量综合演示仪”，按下左边按键选择进行“角动量实验”、“转 动惯量实验”或“两球位置调整”。在“角动量实验”模式下，按下中间的 按键，此时支撑轴2转动，记录此时支撑轴2的转速，按下右边的按键， 这时通过拉绳3将重球4拉至靠近支撑轴2中心的位置，此时旋转臂4的 速度明显加快，约1秒后变频驱动电机启动，使旋转轴2的转速维持在约 256rpm，再次按下右边的按键，两球释放到旋转臂4的两端，此时旋转臂4 速度明显变慢，约1秒后，变频驱动电机启动，使旋转臂4的转速维持在 约97rpm，如此往复。

在转换到另一模式前，先按中间的按键，使变频驱动电机停转，再按 下左边按键进行模式转换，进入“转动惯量实验”模式，按下中间的按键， 此时两重球1被拉至靠近旋转臂4的中心，变频驱动电机转动，达到210rpm 转速后，将转速记录下来，再按下右边按键，此时变频驱动电机停转，卡 板801与卡槽701分离，支撑轴2惯性作用下继续转动，由于摩擦阻力最 终停下，单片机记录存储支撑轴惯性转动直至停下所经历的时间；约2秒 后，两重球释放至旋转臂4两端，变频驱动电机启动，带动支撑轴2转动， 达到与两球靠近杆中心时的转速一致时，按下右边按键，变频驱动电机停 转，卡板801与卡槽701分离，支撑轴2惯性作用下继续转动，由于摩擦 阻力最终停下，此时显示屏上显示出两重球1在旋转臂4两端时及靠近旋 转臂4中心时，以同样的转速运动后停下来的时间，两重球1靠近旋转臂 两端时停下来的时间较长，验证了转动惯量的定理。

按下左边的按键，此时进入“小球位置调整”模式，由于在实验过程 中，拉绳电机可能对拉重球1与释放重球1的距离有点误差，或实验过程 中突然掉电，两重球位置可能对下次实验有所影响，拉绳电机发生堵转， 以至于烧坏拉绳电机，此时需要在该模式下调节两重球的位置，两实验演 示前，务必将小球释放至旋转臂4两端，以免拉绳太多，烧坏拉绳电机。

按下右边按键，此时拉绳电机反转，释放拉绳3，重球1旋转离心力的 作用下向旋转臂4两端移动，按下中间按键，拉绳电机正转，使重球1靠 近旋转臂4的中心移动。