一種轉(zhuǎn)動慣量測量與演示實驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種轉(zhuǎn)動慣量測量與演示實驗裝置，它主要包括橫桿與轉(zhuǎn)動加載盒。其中橫桿的一端鉸接于支座可繞支座定軸自由轉(zhuǎn)動，橫桿另一端通連接于轉(zhuǎn)動加載盒的上橫梁與下滑槽，轉(zhuǎn)動加載盒通過兩側(cè)的彈簧連接于橫桿的兩側(cè)，橫桿上均勻布置若干試件連接孔。本發(fā)明通過對彈簧施加初始變形，引起橫桿繞支座轉(zhuǎn)軸發(fā)生低阻尼自由振動，并根據(jù)剛體固定于不同橫桿位置時系統(tǒng)的振動周期變化，得到剛體的轉(zhuǎn)動慣量。本發(fā)明可快捷簡便地測量剛體的轉(zhuǎn)動慣量，同時還可以清楚地演示轉(zhuǎn)動慣量平移定理和組合定理及剛體轉(zhuǎn)動慣量與轉(zhuǎn)動運動狀態(tài)無關(guān)的性質(zhì)，有助于學生清楚準確地理解轉(zhuǎn)動慣量和剛體轉(zhuǎn)動特性，是一種適宜物理教學的實驗設(shè)備。
【專利說明】一種轉(zhuǎn)動慣量測量與演示實驗裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種物理實驗教學儀器，具體地指一種轉(zhuǎn)動慣量測量與演示實驗裝 置。

【背景技術(shù)】
[0002] 轉(zhuǎn)動慣量是剛體轉(zhuǎn)動時慣性大小的量度，它與剛體的形狀、質(zhì)量分布及轉(zhuǎn)動軸的 位置有關(guān)。轉(zhuǎn)動慣量具有重要物理意義，測量剛體轉(zhuǎn)動慣量并理解轉(zhuǎn)動慣量的性質(zhì)是大學 物理課程的一項重要內(nèi)容。目前，實驗教學中常用的轉(zhuǎn)動慣量測試裝置主要有三線擺和轉(zhuǎn) 動慣量儀等。
[0003] 三線擺具有可快速便捷測量轉(zhuǎn)動慣量的優(yōu)點，其原理是將不同半徑的兩個圓盤上 下同心布置，下圓盤繞兩圓盤中心連線發(fā)生扭轉(zhuǎn)，通過分析放置待測剛體前后系統(tǒng)振動周 期的變化，得到剛體轉(zhuǎn)動慣量。三線擺已成為目前物理教學中最常用的轉(zhuǎn)動慣量測量演示 實驗裝置，但是由于三線擺的分析原理將懸線視為剛性，這與事實不符，施加被測剛體后常 因為懸線的變形導致系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)動和平動兩種形式的組合運動，這勢必引起實驗結(jié)果的偏 差甚至錯誤。
[0004] 轉(zhuǎn)動慣量儀通過砝碼自由落體對塔輪施加作用，引起塔輪上方圓盤發(fā)生勻角加速 度運動，通過改變砝碼質(zhì)量或者塔輪作用半徑來獲得不同的轉(zhuǎn)動力矩。分析砝碼脫離塔輪 前后系統(tǒng)角加速度的變化得到待測剛體的轉(zhuǎn)動慣量。轉(zhuǎn)動慣量儀設(shè)備簡單，便于操作，但其 要求測量者準確判斷砝碼下落的起點和終點，因此時間測量的人為因素較大，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性 較差。
[0005] 此外，上述傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量測試方法，其測試原理并不直觀，也不容易讓學生理解 轉(zhuǎn)動慣量平移定理與轉(zhuǎn)動慣量與角加速度無關(guān)的性質(zhì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是要解決上述【背景技術(shù)】的不足，提供一種操作簡便、人為影響因 素少、原理明確直觀的轉(zhuǎn)動慣量測量與演示實驗裝置。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種轉(zhuǎn)動慣量測量與演示實驗裝置，它包括一端鉸接于支 座上可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的橫桿與通過滑道連接于橫桿另一端的轉(zhuǎn)動加載盒。其特征在于：所述 橫桿質(zhì)量分布均勻且相對剛度大，橫桿上均勻布置若干試件連接孔，橫桿上設(shè)有水平儀；橫 桿一端鉸接于橫桿支座，可在水平面上自由轉(zhuǎn)動；橫桿另一端設(shè)置有擋光片，并與轉(zhuǎn)動加載 盒連接，通過橫桿端下部滑輪嵌于加載盒下部的滑槽中，橫桿可沿滑槽自由滑動；所述滑槽 呈圓弧形，弧形滑槽以橫桿支座轉(zhuǎn)軸為中心，以橫桿有效長度為半徑。橫桿位于轉(zhuǎn)動加載盒 端的上部設(shè)有施力閥，推動施力閥可以實現(xiàn)橫桿沿弧形滑槽滑動，按下施力閥可將橫桿固 定于滑槽任意位置。所述轉(zhuǎn)動加載盒下部設(shè)有加載盒支座，轉(zhuǎn)動加載盒端兩邊的側(cè)板內(nèi)側(cè) 與橫桿間分別連接有均質(zhì)彈簧，彈簧與轉(zhuǎn)動加載盒連接處設(shè)有清零螺母，用以調(diào)整彈簧受 力，以調(diào)節(jié)橫桿位置。加載盒上橫梁標有以中心為零點左右對稱的刻度，用于測量施加給橫 桿的初始位移。加載盒下橫梁中心處布置有光電探頭，并連接于外部周期測定儀。
[0008] 本發(fā)明所述橫桿相對剛度大，在實驗過程中的變形可以忽略，且橫桿長度遠大于 試件尺寸。
[0009] 所述彈簧質(zhì)地均勻，且彈簧彈性范圍遠大于實驗中所施加的變形；
[0010] 所述橫桿與橫桿支座及轉(zhuǎn)動加載盒的接觸均光滑；
[0011] 所述滑槽有效長度對應(yīng)的弧度在5?10°以內(nèi)；
[0012] 所述實驗中橫桿發(fā)生的振動屬于低阻尼自由振動，阻尼對系統(tǒng)自由振動固有周期 的影響可以忽略。
[0013] 本發(fā)明的原理是根據(jù)系統(tǒng)低阻尼自由振動的特性，根據(jù)虛功原理建立系統(tǒng)運動方 程如下：
[0014]

【權(quán)利要求】
1. 一種轉(zhuǎn)動慣量測量與演示實驗裝置，它包括橫桿、轉(zhuǎn)動加載盒、橫桿支座與轉(zhuǎn)動加載 盒支座，其特征在于：所述橫桿一端鉸接于橫桿支座，可在水平面上繞橫桿支座定軸轉(zhuǎn)動， 橫桿另一端連接于轉(zhuǎn)動加載盒的上橫梁與下滑槽，并可沿下滑槽自由滑動，所述的橫桿與 轉(zhuǎn)動加載盒分別支撐于橫桿支座和轉(zhuǎn)動加載盒支座。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種轉(zhuǎn)動慣量測量與演示實驗裝置，其特征在于：所述橫桿 布置若干試件連接孔，橫桿上設(shè)有水平儀，橫桿連接于轉(zhuǎn)動加載盒一端設(shè)有遮光片，橫桿剛 度大，在實驗過程中的變形可以忽略，橫桿長度遠大于試件尺寸，并且橫桿與橫桿支座轉(zhuǎn)軸 及轉(zhuǎn)動加載盒的下滑槽接觸光滑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種轉(zhuǎn)動慣量測量與演示實驗裝置，其特征在于：所述轉(zhuǎn)動 加載盒由彈簧振子、上橫梁、下滑槽及側(cè)板組成，轉(zhuǎn)動加載盒下部連接于加載盒支座，轉(zhuǎn)動 加載盒端兩側(cè)的側(cè)板分別連接有均質(zhì)彈簧，彈簧的另一端連接在橫桿兩側(cè)，所述上橫梁標 有對稱刻度，所述轉(zhuǎn)動加載盒兩側(cè)側(cè)板與彈簧連接處設(shè)有清零螺母，所述橫桿與轉(zhuǎn)動加載 盒上橫梁間設(shè)有控制橫桿在滑槽滑動位置的施力閥，所述轉(zhuǎn)動加載盒下滑槽中心處布置有 光電探頭，并連接于外部的周期測定儀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求3所述的一種轉(zhuǎn)動慣量測量與演示實驗裝置，其特征在 于：所述下滑槽與上橫梁平行布置，均呈以橫桿支座轉(zhuǎn)軸為中心以橫桿有效轉(zhuǎn)動長度為半 徑的圓弧形，所述圓弧形的有效弧長對應(yīng)的弧度范圍在5?10°之間。
5. -種基于權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)動慣量測量與演示實驗裝置，其特征在于測量剛體轉(zhuǎn) 動慣量的具體實驗步驟為： (1) 調(diào)整橫桿支座與轉(zhuǎn)動加載盒支座，通過橫桿上的水平儀，使系統(tǒng)水平； (2) 調(diào)整轉(zhuǎn)動加載盒兩側(cè)的清零螺母，使橫桿位于轉(zhuǎn)動加載盒中心； (3) 推動橫桿上的施力閥，使橫桿沿轉(zhuǎn)動加載盒滑道滑動一定角度； (4) 打開施力閥，橫桿沿轉(zhuǎn)動加載盒滑道來回擺動，通過光電探頭與周期測定儀得到系 統(tǒng)空載振動周期?；; (5) 測得待測試件質(zhì)量m，將待測試件通過試件連接孔固定于橫桿上某一位置，試件距 離橫桿轉(zhuǎn)動軸距離為U，試件中心與連接孔對應(yīng)，重復步驟（1)?（4)，測得系統(tǒng)振動周期 為; (6) 變換待測試件在橫桿上的位置，使其距離橫桿轉(zhuǎn)動軸距離為1^2，重復步驟（1)? (4)，測得系統(tǒng)振動周期為T2; (7) 分析實驗數(shù)據(jù)，假定計算參數(shù)4 = ，可以得到待測構(gòu)件位置1時的轉(zhuǎn)動慣 量名=- A2 )。
【文檔編號】G09B23/08GK104123865SQ201410326497
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】劉相梅, 梁法庫, 李奇楠 申請人:齊齊哈爾大學