專利名稱：演示角動量守恒與轉(zhuǎn)動慣量的綜合演示儀及其演示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種演示角動量守恒與轉(zhuǎn)動慣量的綜合演示儀及其演示方法，屬于科教器材技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科教產(chǎn)品的更新?lián)Q代和發(fā)展，社會需要的提高，高校和一些科研廠商也將目光轉(zhuǎn)向科教產(chǎn)品市場。角動量守恒定律是自然界最普遍的定律之一，角動量守恒和轉(zhuǎn)動定理在現(xiàn)實生活中有著廣泛的應(yīng)用，如在航天事業(yè)中模擬重力的運用；轉(zhuǎn)動定理和角動量守恒定理又是力學(xué)重要的兩個知識點，然而，現(xiàn)有角動量守恒和轉(zhuǎn)動慣量定理的原理演示教學(xué)裝置都是分開來的。
一般驗證角動量守恒的裝置為一張可繞豎直轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)椅，顯示方法為 演示者坐在轉(zhuǎn)椅上，手握啞鈴，兩臂平伸。使轉(zhuǎn)椅轉(zhuǎn)動起來，然后收縮雙臂，可看到人和凳的轉(zhuǎn)速顯著加大。兩臂再度平伸，轉(zhuǎn)速減慢。這是因為繞固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的物體的角動量等于其轉(zhuǎn)動慣量與角速度的乘積，而外力矩等于零時，角動量守恒。當(dāng)人收縮雙臂時，轉(zhuǎn)動慣量減小，因此角速度增加。
一般驗證轉(zhuǎn)動慣量的裝置為兩個剛性物體分別進行轉(zhuǎn)動慣量演示，對其進行對比，從而驗證了轉(zhuǎn)動慣量的原理，其結(jié)果僅能用肉眼觀察。
綜上所述，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動慣量演示裝置和角動量守恒演示裝置是獨立的兩個裝置， 分別需要進行演示，而且無數(shù)字顯示，只能肉眼觀察，演示效果不佳。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動慣量演示裝置和角動量守恒演示裝置是獨立的兩個裝置，需要進行分別演示，而且演示效果不佳。為了更好地研究和顯示其物理原理，本發(fā)明將二者巧妙地結(jié)合起來，運用計算機控制技術(shù)，研制出的一種新型的角動量守恒與轉(zhuǎn)動慣量綜合演示儀。將角動量守恒和轉(zhuǎn)動慣量定理原理通過同一儀器演示出來，并實現(xiàn)動態(tài)過程的可視化。
本發(fā)明采取以下技術(shù)方案
—種演示角動量守恒與轉(zhuǎn)動慣量的綜合演示儀,包括單片機,拉繩電機,變頻驅(qū)動電機，所述單片機作為所述綜合演示儀的控制中心，能夠獲取所述變頻驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速；還包括支撐軸2，所述支撐軸2上設(shè)有隨之轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)臂4所述旋轉(zhuǎn)臂4兩側(cè)各套設(shè)一個重球1，所述重球I與沿拉繩3連接，所述拉繩3沿旋轉(zhuǎn)臂4設(shè)置，并由所述拉繩電機帶動，拉動兩個重球沿所述旋轉(zhuǎn)臂4同步向內(nèi)/向外移動；所述支撐軸2與下方的外轉(zhuǎn)盤7的中心連接，所述外轉(zhuǎn)盤7下方具有卡槽701，所述卡槽701呈齒輪形狀；所述卡槽701內(nèi)設(shè)有內(nèi)轉(zhuǎn)盤8，所述內(nèi)轉(zhuǎn)盤8上通過扭簧802與卡板801固定連接，所述卡板801與所述卡槽701 對應(yīng)；所述變頻驅(qū)動電機開啟，所述內(nèi)轉(zhuǎn)盤8由變頻驅(qū)動電機帶動轉(zhuǎn)動，扭簧802變形，卡板 801與卡槽701嚙合，帶動外傳盤7轉(zhuǎn)動，所述外傳盤7帶動支撐軸2轉(zhuǎn)動；所述變頻驅(qū)動電機停機，內(nèi)轉(zhuǎn)盤8轉(zhuǎn)速小于外傳盤7的轉(zhuǎn)速，扭簧802復(fù)位，卡板801脫離所述卡槽802。
還包括顯示屏5，所述顯示屏5與所述單片機連接，能夠顯示所述變頻驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。
還包括按鍵6，所述按鍵6與所述單片機連接。
一種使用上述綜合演示儀進行角動量守恒的演示方法，包括以下步驟
I)小球設(shè)于旋轉(zhuǎn)臂4兩端；
2)開動變頻驅(qū)動電機，支撐軸2帶動轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)臂4轉(zhuǎn)動，重球I同步轉(zhuǎn)動；
3)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后，變頻驅(qū)動電機停機，卡板801與卡槽701分離；
4)拉繩電機帶動拉繩3向內(nèi)側(cè)拉動,兩個重球I同步沿旋轉(zhuǎn)臂4向內(nèi)滑動,旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速加快；
5)拉繩電機拉動拉繩3向外側(cè)拉動，兩個重球I同步沿旋轉(zhuǎn)臂4向外滑動，旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速減慢。
一種使用上述綜合演示儀進行轉(zhuǎn)動慣量演示的方法，其特征在于，包括以下步驟
I)小球設(shè)于旋轉(zhuǎn)臂4兩端；
2)開動變頻驅(qū)動電機，支撐軸2帶動轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)臂4轉(zhuǎn)動，重球I同步轉(zhuǎn)動；
3)記錄顯示屏5上顯示的轉(zhuǎn)速；
4)變頻驅(qū)動電機停機，卡板801與卡槽701分離，旋轉(zhuǎn)臂4慣性轉(zhuǎn)動；
5)記錄旋轉(zhuǎn)臂4直到停下所需的時間；
6)啟動拉繩電機，拉繩拉動重球4向中間移動一段距離后停下，重復(fù)上述步驟I)、 2)；
7)直至轉(zhuǎn)速與步驟3)中的轉(zhuǎn)速相同；
8)重復(fù)步驟 4)、5)。
本發(fā)明的特點在于角動量守恒原理與轉(zhuǎn)動慣量的定理的演示結(jié)合在同一實驗裝置中，利用單片機作為控制系統(tǒng)，通過按鍵進行實際操作的控制。同時，巧妙利用了卡盤與卡板的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，利用扭簧，卡板豎直方向無需脫離卡槽就能實現(xiàn)卡板與卡槽的分離，方便的實現(xiàn)了對支撐軸2的驅(qū)動和停止驅(qū)動。
本發(fā)明針對現(xiàn)有角動量守恒和轉(zhuǎn)動慣量定理原理演示裝置都是分別演示的的現(xiàn)狀，將二者巧妙地結(jié)合起來，通過單片機的控制，可以對兩個原理進行綜合的演示，能更加清楚的看到整個原理演示的動態(tài)變化過程，隨時記錄變化數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的有益效果在于
(I)結(jié)構(gòu)合理、成本較低。
(2)使用方便且周期長。
(3)具有較高的安全性、科學(xué)性。
(4)可視化程度高，具有人性化設(shè)計。
(5)具有商業(yè)價值,和創(chuàng)造較大的經(jīng)濟效益。


圖I是本發(fā)明的角動量守恒與轉(zhuǎn)動慣量綜合演示儀的外形示意圖。
圖2是外傳盤的主視示意圖。
圖3是外轉(zhuǎn)盤的仰視示意圖。
圖4是內(nèi)轉(zhuǎn)盤的仰視示意圖。
圖5是外傳盤與內(nèi)轉(zhuǎn)盤嚙合后的仰視示意圖。
圖6是外傳盤與內(nèi)轉(zhuǎn)盤分開后的仰視示意圖。
圖7是內(nèi)轉(zhuǎn)盤及其上通過扭簧連接的卡板的立體示意圖。
其中，I、重球，2、支撐軸，3、拉繩，4、旋轉(zhuǎn)臂，5、顯示屏，6、按鍵，7、外傳盤，8、內(nèi)轉(zhuǎn)盤，701、卡槽，801卡板，802。扭簧。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進一步說明。
如圖1-7所示,一種演示角動量守恒與轉(zhuǎn)動慣量的綜合演示儀,包括單片機,拉繩電機，變頻驅(qū)動電機，單片機作為所述綜合演示儀的控制中心，能夠獲取所述變頻驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速；還包括支撐軸2，支撐軸2上設(shè)有隨之轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)臂4所述旋轉(zhuǎn)臂4兩側(cè)各套設(shè)一個重球1，重球I與沿拉繩3連接，拉繩3沿旋轉(zhuǎn)臂4設(shè)置，并由所述拉繩電機帶動拉動，拉動兩個重球沿所述旋轉(zhuǎn)臂4同步向內(nèi)/向外移動；支撐軸2與下方的外轉(zhuǎn)盤7的中心連接， 外轉(zhuǎn)盤7下方具有卡槽701，卡槽701呈齒輪形狀；卡槽701內(nèi)設(shè)有內(nèi)轉(zhuǎn)盤8，內(nèi)轉(zhuǎn)盤8上通過扭簧802與卡板801固定連接，卡板801與卡槽701對應(yīng)；變頻驅(qū)動電機開啟，內(nèi)轉(zhuǎn)盤 8由變頻驅(qū)動電機帶動轉(zhuǎn)動，扭簧802變形，卡板801與卡槽701嚙合，帶動外傳盤7轉(zhuǎn)動， 外傳盤7帶動支撐軸2轉(zhuǎn)動；變頻驅(qū)動電機停機，內(nèi)轉(zhuǎn)盤8轉(zhuǎn)速小于外傳盤7的轉(zhuǎn)速，扭簧 802復(fù)位，卡板801脫離所述卡槽802。還包括顯示屏5，顯示屏5與單片機連接，能夠顯示變頻驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。還包括按鍵6，所述按鍵6與所述單片機連接，對所述綜合演示儀進行操作控制。
如附圖I所示，接通電源線，打開電源開關(guān)，顯示屏上顯示“角動量守恒和轉(zhuǎn)動慣量綜合演示儀”，按下左邊按鍵選擇進行“角動量實驗”、“轉(zhuǎn)動慣量實驗”或“兩球位置調(diào)整”。在“角動量實驗”模式下，按下中間的按鍵，此時支撐軸2轉(zhuǎn)動，記錄此時支撐軸2的轉(zhuǎn)速，按下右邊的按鍵，這時通過拉繩3將重球4拉至靠近支撐軸2中心的位置，此時旋轉(zhuǎn)臂4的速度明顯加快，約I秒后變頻驅(qū)動電機啟動，使旋轉(zhuǎn)軸2的轉(zhuǎn)速維持在約256rpm，再次按下右邊的按鍵，兩球釋放到旋轉(zhuǎn)臂4的兩端，此時旋轉(zhuǎn)臂4速度明顯變慢，約I秒后，變頻驅(qū)動電機啟動，使旋轉(zhuǎn)臂4的轉(zhuǎn)速維持在約97rpm,如此往復(fù)。
在轉(zhuǎn)換到另一模式前，先按中間的按鍵，使變頻驅(qū)動電機停轉(zhuǎn)，再按下左邊按鍵進行模式轉(zhuǎn)換，進入“轉(zhuǎn)動慣量實驗”模式，按下中間的按鍵，此時兩重球I被拉至靠近旋轉(zhuǎn)臂 4的中心,變頻驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動,達(dá)到210rpm轉(zhuǎn)速后,將轉(zhuǎn)速記錄下來,再按下右邊按鍵,此時變頻驅(qū)動電機停轉(zhuǎn)，卡板801與卡槽701分離，支撐軸2慣性作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動，由于摩擦阻力最終停下，單片機記錄存儲支撐軸慣性轉(zhuǎn)動直至停下所經(jīng)歷的時間；約2秒后，兩重球釋放至旋轉(zhuǎn)臂4兩端，變頻驅(qū)動電機啟動，帶動支撐軸2轉(zhuǎn)動，達(dá)到與兩球靠近桿中心時的轉(zhuǎn)速一致時，按下右邊按鍵，變頻驅(qū)動電機停轉(zhuǎn)，卡板801與卡槽701分離，支撐軸2慣性作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動，由于摩擦阻力最終停下，此時顯示屏上顯示出兩重球I在旋轉(zhuǎn)臂4兩端時及靠近旋轉(zhuǎn)臂4中心時，以同樣的轉(zhuǎn)速運動后停下來的時間，兩重球I靠近旋轉(zhuǎn)臂兩端時停下來的時間較長，驗證了轉(zhuǎn)動慣量的定理。
按下左邊的按鍵，此時進入“小球位置調(diào)整”模式，由于在實驗過程中，拉繩電機可能對拉重球I與釋放重球I的距離有點誤差，或?qū)嶒炦^程中突然掉電，兩重球位置可能對下次實驗有所影響，拉繩電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)，以至于燒壞拉繩電機，此時需要在該模式下調(diào)節(jié)兩重球的位置，兩實驗演示前，務(wù)必將小球釋放至旋轉(zhuǎn)臂4兩端，以免拉繩太多，燒壞拉繩電機。
按下右邊按鍵，此時拉繩電機反轉(zhuǎn)，釋放拉繩3，重球I旋轉(zhuǎn)離心力的作用下向旋轉(zhuǎn)臂4兩端移動，按下中間按鍵，拉繩電機正轉(zhuǎn)，使重球I靠近旋轉(zhuǎn)臂4的中心移動。
權(quán)利要求
1.一種演示角動量守恒與轉(zhuǎn)動慣量的綜合演示儀,其特征在于包括單片機，拉繩電機，變頻驅(qū)動電機，所述單片機作為所述綜合演示儀的控制中心， 能夠獲取所述變頻驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速；還包括支撐軸(2 )，所述支撐軸(2 )上設(shè)有隨之轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)臂(4 )所述旋轉(zhuǎn)臂(4 )兩側(cè)各套設(shè)一個重球(1)，所述重球(I)與沿拉繩(3)連接，所述拉繩(3)沿旋轉(zhuǎn)臂(4)設(shè)置，并由所述拉繩電機帶動，拉動兩個重球沿所述旋轉(zhuǎn)臂(4)同步向內(nèi)/向外移動；所述支撐軸(2)與下方的外轉(zhuǎn)盤(7)的中心連接，所述外轉(zhuǎn)盤(7)下方具有卡槽(701)， 所述卡槽(701)呈齒輪形狀；所述卡槽(701)內(nèi)設(shè)有內(nèi)轉(zhuǎn)盤(8)，所述內(nèi)轉(zhuǎn)盤(8)上通過扭簧(802)與卡板(801)固定連接，所述卡板(801)與所述卡槽(701)對應(yīng)；所述變頻驅(qū)動電機開啟，所述內(nèi)轉(zhuǎn)盤(8)由變頻驅(qū)動電機帶動轉(zhuǎn)動，扭簧(802)變形， 卡板(801)與卡槽(701)嚙合，帶動外傳盤(7 )轉(zhuǎn)動，所述外傳盤(7 )帶動支撐軸(2 )轉(zhuǎn)動；所述變頻驅(qū)動電機停機，內(nèi)轉(zhuǎn)盤(8)轉(zhuǎn)速小于外傳盤(7)的轉(zhuǎn)速，扭簧(802)復(fù)位，卡板 (801)脫離所述卡槽(802)。
2.如權(quán)利要求I所述的綜合演示儀，其特征在于還包括顯示屏(5)，所述顯示屏(5) 與所述單片機連接，能夠顯示所述變頻驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。
3.如權(quán)利要求I所述的綜合演示儀，其特征在于還包括按鍵(6)，所述按鍵(6)與所述單片機連接。
4.一種使用權(quán)利要求2所述的綜合演示儀進行角動量守恒的演示方法，其特征在于， 包括以下步驟1)小球設(shè)于旋轉(zhuǎn)臂(4)兩端；2)開動變頻驅(qū)動電機，支撐軸(2)帶動轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)臂(4)轉(zhuǎn)動，重球(I)同步轉(zhuǎn)動；3)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后，變頻驅(qū)動電機停機，卡板(801)與卡槽(701)分離；4)拉繩電機帶動拉繩(3)向內(nèi)側(cè)拉動，兩個重球(I)同步沿旋轉(zhuǎn)臂(4)向內(nèi)滑動，旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速加快；5)拉繩電機拉動拉繩(3)向外側(cè)拉動，兩個重球(I)同步沿旋轉(zhuǎn)臂(4)向外滑動，旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速減慢。
5.一種使用權(quán)利要求2所述的綜合演示儀進行轉(zhuǎn)動慣量演示的方法，其特征在于，包括以下步驟1)小球設(shè)于旋轉(zhuǎn)臂(4)兩端；2)開動變頻驅(qū)動電機，支撐軸(2)帶動轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)臂(4)轉(zhuǎn)動，重球(I)同步轉(zhuǎn)動；3)記錄顯示屏(5)上顯示的轉(zhuǎn)速；4)變頻驅(qū)動電機停機，卡板(801)與卡槽(701)分離，旋轉(zhuǎn)臂(4)慣性轉(zhuǎn)動；5)記錄旋轉(zhuǎn)臂(4)直到停下所需的時間；6)啟動拉繩電機，拉繩拉動重球(4)向中間移動一段距離后停下，重復(fù)上述步驟I)、2)；7)直至轉(zhuǎn)速與步驟3)中的轉(zhuǎn)速相同；8)重復(fù)步驟4)、5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種演示角動量守恒與轉(zhuǎn)動慣量的綜合演示儀，其特征在于包括單片機，拉繩電機，變頻驅(qū)動電機，單片機作為所述綜合演示儀的控制中心；還包括支撐軸，支撐軸上設(shè)有隨之轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)臂，旋轉(zhuǎn)臂兩側(cè)各套設(shè)一個重球，重球與沿拉繩連接，并由拉繩電機帶動，拉動兩個重球沿旋轉(zhuǎn)臂同步向內(nèi)/向外移動；支撐軸與下方的外轉(zhuǎn)盤的中心連接，外轉(zhuǎn)盤下方具有卡槽，卡槽呈齒輪形狀；卡槽內(nèi)設(shè)有內(nèi)轉(zhuǎn)盤，內(nèi)轉(zhuǎn)盤上通過扭簧與卡板固定連接，卡板與卡槽對應(yīng)；變頻驅(qū)動電機開啟，內(nèi)轉(zhuǎn)盤由變頻驅(qū)動電機帶動轉(zhuǎn)動，扭簧變形，卡板與卡槽嚙合，帶動外傳盤轉(zhuǎn)動，外傳盤帶動支撐軸轉(zhuǎn)動；變頻驅(qū)動電機停機，內(nèi)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速小于外傳盤的轉(zhuǎn)速，扭簧復(fù)位，卡板脫離卡槽。
文檔編號G09B23/10GK102938226SQ20121049316
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者李麗, 殷業(yè), 崔曉靜, 劉傳勇, 肖龍 申請人:上海師范大學(xué)