[发明专利]一种探究转动惯量的装置与方法

说明书

一种探究转动惯量的装置与方法，主要由转盘、轻质刚性直杆、支撑架、支撑轴、直杆构成，其特征是：轻质刚性直杆的两端均有垂于直杆的两平行光滑通孔，转盘为均质转盘，转盘中心轴c通过轻质刚性直杆一端，且可以绕转盘中心轴c自由旋转，轻质刚性直杆另一端的通孔套在水平支撑轴上，在转盘上有一平行转盘中心轴c的通孔a，探究轻质刚性直杆与转盘固定或不固定时，转盘随着半径减小时轻质刚性直杆摆动周期的规律，来探讨系统转动惯量的规律。制作简易，效果明显，在教学中应用会增加更多的教育功能。

技术领域

本专利涉及一种探究转动惯量的演示装置与方法，属于物理实验领域。

背景技术

在大学物理教学中转动定理及角动量定理应用是重要内容，也是教学难点，学生通常对刚体的转动惯量认识理解比较困难，也是单一的，比如，转动惯量计算其数值为，式中表示刚体的某个质点的质量，表示该质点到转轴的垂直距离，求和号（或积分号）遍及整个刚体；描述刚体绕互相平行诸转轴的转动惯量之间的关系，用平行轴定理：刚体对一轴的转动惯量，等于该刚体对同此轴平行并通过质心之轴的转动惯量加上该刚体的质量同两轴间距离平方的乘积；转动惯量只决定于刚体的形状、质量分布和转轴的位置，而同刚体绕轴的转动状态（如角速度的大小）无关。这样学生就会照搬公式只要形状、质量分布和转轴位置确定了，则转动惯量就确定了，这对学生似乎成了不变的结论，如何理解这一结论，缺少对应的实验装置演示，为培养学生的创新精神与实践能力，教师如何考虑、设计、研究系统转动惯量的相关问题，本专利就要解决这一问题。本专利是在国家自然基金项目（项目号：11405092）、黑龙江省省属高等学校基本业务费科研项目（项目号：135209251）及黑龙江省高等学校教改与应用项目（项目号：SJGY20170385）的支持下完成的。

参考文献：

梁法库、路峻岭. 可倒陀螺的机理与制作《物理实验》2002年第3期

梁法库 等. 一种翻转陀螺 ，中国专利，专利号2011204168963 授权日2012.07.11

梁法库 等. 力矩突变时的角动量变化规律的演示与分析《大学物理》 2004年02期

路峻岭等.力矩突变角动量守恒演示仪，中国专利，专利号03145953.6， 授权日2005.2.9

路峻岭等.导体滚球演示实验仪，中国专利，专利号03109128.8 ，授权日2004.12.29

梁法库等.手持式力矩突变角动量守恒演示仪，中国专利， 专利号：201320388586.4 授权日：2013.11.20

发明内容

本专利是解决刚体转动惯量的相关问题，着重设计两个刚体组合到一起的机械能守恒系统来研究解决这一问题的技术与方法。

本专利技术方案：一种探究转动惯量的装置与方法，主要由转盘、轻质刚性直杆（摆动杆）、支撑架（竖直支架）、支撑轴、直杆（固定杆）构成，其特征是：轻质刚性直杆的两端均有垂于直杆的两平行光滑通孔，转盘为均质转盘，转盘中心轴c通过轻质刚性直杆一端，且可以绕转盘中心轴c自由旋转，轻质刚性直杆另一端的通孔套在水平支撑轴上，在转盘上（距转盘中心轴c小于转盘半径的处）有一平行转盘中心轴c的通孔a，在轻质刚性直杆（摆动杆）的对应转盘的通孔a处也有与通孔a等大通孔d，将与通孔a相匹配（与转盘同质材料）直杆（固定杆）插入通孔a与通孔d使转盘与轻质刚性直杆固定在一起（不发生相对运动），所述直杆（固定杆）是两端带螺纹，直杆（固定杆）插入通孔a与通孔d，直杆（固定杆）两端通过螺母固定，这样轻质刚性杆与转盘构成一系统；卸下直杆（固定杆）两端固定螺母，直杆（固定杆）移出通孔d，这样轻质刚性杆与转盘构成一相对自由转动系统，所述支撑架为在水平平板上固定竖直杆制成的；

分别制作5个均质等质量转盘，其半径分别为R1<R2< R3 <R4 <R5 进行下面实验1与实验2演示：