角動量守恒定律實驗儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于物理實驗儀器領域，設及一種力學實驗裝置，具體為一種用于研究剛 體碰撞的角動量守恒定律實驗儀。
【背景技術】
[0002] 剛體的碰撞是剛體力學中常見的問題，例如，椿與球的碰撞等。剛體在碰撞過程 中，遵循角動量守恒定律，如果是彈性碰撞，還遵循機械能守恒定律。目前，缺乏一種實現剛 體的碰撞并驗證角動量守恒定律的實驗設備。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的，是設計一種角動量守恒定律實驗儀，該儀器能實現剛體的碰撞并 驗證角動量守恒定律。
[0004] 為了解決上述技術問題，本發明采用W下技術方案；包括底座、立板、轉軸、直桿、 擺球；所述立板為長方形，立板垂直固定在底座上；轉軸垂直固定在立板中上部；直桿為均 質等截面細桿，直桿一端固定在轉軸上可繞轉軸在豎直平面內自由轉動；擺球通過擺線與 轉軸聯結，擺線長度可調；立板上設有用于確定擺球與直桿碰撞前后高度位置的等間隔分 布的局度標線。
[0005] 本發明還包括擺球的擺動控制單元，擺動控制單元包括導軌、伸縮桿、電磁鐵、電 磁鐵控制器，導軌固定在立板的右上部，伸縮桿的一端活動聯結在導軌上可沿導軌來回移 動，伸縮桿的另一端聯結電磁鐵用于吸附擺球，電磁鐵控制器與電磁鐵電相連用于控制擺 球的吸附與釋放。
[0006] 優選地，所述擺線的長度等于直桿長度，所述直桿的質量為擺球質量的2. 45倍。
[0007] 本發明由于采用上述設計，能產生W下有益效果；調節擺線長度可控制擺球與直 桿的碰撞點，由立板上的高度標線可確定擺球初始高度W及碰撞后擺球與直桿的上升高 度。本發明用直觀可讀的物理量間接量度角動量大小，并由此驗證角動量守恒定律，大大簡 化了驗證難度。本發明可配合剛體力學的教學，通過剛體的碰撞，直觀、方便地驗證角動量 守恒定律，有利于加深學生對剛體碰撞過程及規律的理解。
【附圖說明】
[000引下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0009] 圖1是本發明的構成示意圖。
[0010] 圖2是本發明的測量原理圖。
[0011] 圖中；1.底座，2.立板，3.轉軸，4.直桿，5.擺球，6.擺動控制單元，11.調平螺絲， 21.高度標線，51.擺線，61.導軌，62.伸縮桿，63.電磁鐵，64.電磁鐵控制器。
【具體實施方式】
[001引如圖1所示，本發明包括底座1、立板2、轉軸3、直桿4、擺球5。立板2為長方形， 立板2垂直固定在底座1上。轉軸3垂直固定在立板2中上部。直桿4為均質等截面細桿， 直桿4 一端固定在轉軸3上可繞轉軸3在豎直平面內自由轉動。擺球5通過擺線51與轉 軸3聯結，擺線51的長度可調。立板2上設有用于確定擺球5與直桿4碰撞前后高度位置 的等間隔分布的高度標線21。底座1下方設有用于調節底座1水平的調平螺絲11。
[0013] 本發明還包括擺球5的擺動控制單元6,擺動控制單元6包括導軌61、伸縮桿62、 電磁鐵63、電磁鐵控制器64,導軌61固定在立板2的右上部，伸縮桿62的一端活動聯結在 導軌61上可沿導軌61來回移動，伸縮桿62的另一端聯結電磁鐵63用于吸附擺球5。電磁 鐵控制器64與電磁鐵63電相連用于控制擺球5的吸附與釋放；通電時電磁鐵63產生磁性 將擺球5吸附，斷電時擺球5釋放向下擺動。使用該擺動控制單元6時擺球5為鐵質球。
[0014] 優選地，所述擺線51的長度等于直桿4的長度，直桿4的質量為擺球5質量的2. 45 倍。
[0015] 測量及驗證原理參見圖2,該實施例中，擺球5質量為mi，直桿4質量為m2,擺線51 與直桿4的長度均為以擺球5下擺時的高度為h。，與直桿4發生彈性碰撞后擺球5回彈的 高度為hi,直桿4末端上升的高度為tv
[0016] 由角動量守恒定律，有：
[0017] niiViL = J W -niiVgL, SP
[001 引 Jo = miL(V2-Vi) (1)
[0019] 式中vi和V 2分別是擺球5與直桿4碰撞前后的速度大小，J為直桿4繞轉軸3的 轉動慣量。
[0020] 由機械能守恒定律，有：
[0021] 巧=<^2如,' (2)
[0022] Vj =7^ U)
[0023] 由 ^ Jw:=去"巧片2，/ =去口?2得；
[0024] J(〇='^^^2gh-, (4)
[002引將（2)、（3)、（4)式代入（1)式，得：
[0026] 1":斬=不m、(爪-取、 (>;
[0027] 優選地，當W; = ^/^W| = 2.45W|，即直桿4的質量為擺球5質量的2. 45倍時，妨式 可簡化為：
[002引 捉二和-而 (6)
[0029] 實驗時，通過高度標線21讀取圖2中h。、hi、h2的值，即可由做式驗證角動量守 恒定律。
[0030] 當擺線51的長度小于直桿4的長度時，同樣可根據角動量守恒定律得到相應理論 結論，并用本儀器進行驗證，在此不作進一步討論。
【主權項】
1. 一種角動量守恒定律實驗儀，其特征在于：包括底座（1)、立板（2)、轉軸（3)、直桿 (4)、擺球巧）；所述立板似為長方形，立板似垂直固定在底座（1)上；轉軸做垂直固 定在立板（2)中上部；直桿（4)為均質等截面細桿，直桿（4) 一端固定在轉軸（3)上可繞轉 軸做在豎直平面內自由轉動；擺球妨通過擺線巧1)與轉軸做聯結，擺線巧1)長度可 調；立板（2)上設有用于確定擺球（5)與直桿（4)碰撞前后高度位置的等間隔分布的高度 標線（21)。
2. 根據權利要求1所述的角動量守恒定律實驗儀，其特征在于；還包括擺球巧）的擺 動控制單元化），擺動控制單元（6)包括導軌化1)、伸縮桿化2)、電磁鐵化3)、電磁鐵控制 器化4)，導軌化1)固定在立板的右上部，伸縮桿化2)的一端活動聯結在導軌化1)上可沿 導軌化1)來回移動，伸縮桿化2)的另一端聯結電磁鐵化3)用于吸附擺球巧），電磁鐵控制 器化4)與電磁鐵化3)電相連用于控制擺球（5)的吸附與釋放。
3. 根據權利要求1所述的角動量守恒定律實驗儀，其特征在于：所述擺線巧1)的長度 等于直桿（4)的長度，所述直桿（4)的質量為擺球（5)質量的2. 45倍。
【專利摘要】本發明公開了一種角動量守恒定律實驗儀，包括底座、立板、轉軸、直桿、擺球，立板為長方形，立板垂直固定在底座上，轉軸垂直固定在立板中上部；直桿為均質等截面細桿，直桿一端固定在轉軸上可繞轉軸在豎直平面內自由轉動，擺球通過擺線與轉軸聯結，擺線長度可調，立板上設有用于確定擺球與直桿碰撞前后高度位置的高度標線。本發明可配合剛體力學的教學，直觀、方便地驗證角動量守恒定律，有利于加深學生對剛體碰撞過程及規律的理解。
【IPC分類】G09B23-10
【公開號】CN104537933
【申請號】CN201510017473
【發明人】陳健, 朱純, 周錫生
【申請人】江南大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月13日