本技术涉及一种动量矩守恒演示实验装置,基于双旋翼直升机原理设计,适用于理论力学教学。装置包括上旋翼、下旋翼、尾桨、机身和底座等结构,旨在直观展示动量矩守恒定律。
背景技术
在理论力学课程中,动量矩守恒是力学中的三大守恒定律之一,目前在实验教学中主要有四种动量矩守恒实验装置。
第一种:由浙江大学城市学院研制的新型定量验证动量矩守恒定律实验仪,申请(专利)号:201810039008.7。该装置由射击枪底座、射击枪支撑柱、射击枪、自由转动盘、子弹腔、光电门固定盘、上下轮轴固定柱、自由转动轴、轮轴固定柱支撑腿和电控箱;射击枪底座下设置有调平支撑腿,射击枪底座上设有平衡锤;射击枪支撑柱采用支撑柱固定螺丝固定在射击枪底座上,在射击枪的射击枪管的对应位置采用射击枪管固定螺丝螺固在射击枪支撑柱上。射击枪杆撞击子弹并获得一个较大动量,再进入自由转动盘边缘固定的子弹腔,使之自由转动盘获得一个动量矩,这个动量矩还包括子弹本身,实质上是验证了质点组动量矩守恒定律的正确性。
第二种:江汉石油学院凌向虎等于1996年3月在《大学物理实验》第9卷第1期发表的《自制动量矩守恒演示仪》中介绍的动量矩守恒实验仪,该装置由一个旋转叶轮通过空心轴套与微型马达相连接,然后固定在旋转横梁中部,旋转横梁上固定有电池,开关,配平螺丝;将以上设备通过滚珠轴承,锥型支杆固定在圆形底盘上。旋转叶轮旋转时,横梁将按叶轮相反方向旋转,从而演示动量矩守恒。
第三种:吉林化工学院郎成等于2004年3月在《物理实验》期刊第24卷第3期上发表的《角动量演示仪器的设计》中介绍的角动量演示装置,该装置把2个完全相同的转轮安装在可自由旋转梁上,用两段绳系在水平弹簧的两端,绳的另一端分别系在2个转轮的轴上,根据线缠绕轮的方向不同可使两轮沿相反或相同的方向旋转,相同旋转时,自由旋转梁带动两个转轮按转轮相反方向旋转,相反方向旋转时旋转梁静止。也可使转轮的转动惯量不同,演示相同速度,方向相反时,旋转梁角动量改变现象。
第四种:清华大学路峻岭等于2004年7月在《大学物理》期刊第23卷第7期上发表的《一种新的角动量守恒演示实验仪》中介绍的力矩突变角动量守恒演示实验仪,该装置由框架、球杆系统、装有精密球形轴承的支杆和柔软细丝线四部分组成。两个质量为m的钢球,用长度为2l的轻刚性杆连接构成球杆系统,该球杆系统的中点联接精密球形轴承,球形轴承之固定球体联结支杆,支杆固定在框架基座上。第一步,操作使球杆系统在偏离水平状态而有所倾斜过程中,由于转动惯量减小而使它绕竖直轴的转动逐渐加快。第二步,操作是在倾斜的球杆系统绕竖直轴高速转动的过程中随机进行的,在实验者突然松手后,球杆系统将在连杆和球的瞬时速度所确定的平面内绕中心作匀速圆周运动。
第一种实验设备是基于射击枪原理,结构较为复杂,在现实生活中很少遇见,专业性较强。第二种实验仪采用了单旋转叶轮,只演示了旋翼旋转时旋转横梁反向旋转,类似于无尾桨单旋翼直升机模型,所以缺少尾桨的平衡作用,旋转速度也不可控,也没有对动量矩相关参数的定量测量。第三种实验设备利用弹簧预存能量使相同转盘旋转方向不同或相同时,观察支撑旋转梁不同旋转现象,从而演示动量矩守恒现象;还可以在转盘转动惯量发生变化时,支撑旋转梁旋转速度发生变化,从而演示动量矩守恒定律。但利用弹簧作为能量不能持续演示,转盘旋转速度无法控制,也不能单独控制,同时也缺少对动量矩相关参数的定量测量。第四种实验设备主要是针对结构旋转后,转动惯量发生变化时,旋转速度与角度的变化,从而演示动量矩守恒定律。但只演示了动量矩大小变化引起的现象,没有涉及动量矩方向变化产生的现象,也缺少对动量矩相关参数的定量测量。
实现思路