一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量與演示實(shí)驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量與演示實(shí)驗(yàn)裝置，它主要包括橫桿與轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)，橫桿另一端通連接于轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒的上橫梁與下滑槽，轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒通過(guò)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(guò)對(duì)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(dòng)，并根據(jù)剛體固定于不同橫桿位置時(shí)系統(tǒng)的振動(dòng)周期變化，得到剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本發(fā)明可快捷簡(jiǎn)便地測(cè)量剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，同時(shí)還可以清楚地演示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平移定理和組合定理及剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)的性質(zhì)，有助于學(xué)生清楚準(zhǔn)確地理解轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和剛體轉(zhuǎn)動(dòng)特性，是一種適宜物理教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
【專利說(shuō)明】一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量與演示實(shí)驗(yàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，具體地指一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量與演示實(shí)驗(yàn)裝 置。

【背景技術(shù)】
[0002] 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是剛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性大小的量度，它與剛體的形狀、質(zhì)量分布及轉(zhuǎn)動(dòng)軸的 位置有關(guān)。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量具有重要物理意義，測(cè)量剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并理解轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的性質(zhì)是大學(xué) 物理課程的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常用的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試裝置主要有三線擺和轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量?jī)x等。
[0003] 三線擺具有可快速便捷測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的優(yōu)點(diǎn)，其原理是將不同半徑的兩個(gè)圓盤(pán)上 下同心布置，下圓盤(pán)繞兩圓盤(pán)中心連線發(fā)生扭轉(zhuǎn)，通過(guò)分析放置待測(cè)剛體前后系統(tǒng)振動(dòng)周 期的變化，得到剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。三線擺已成為目前物理教學(xué)中最常用的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量演示 實(shí)驗(yàn)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(shí)不符，施加被測(cè)剛體后常 因?yàn)閼揖€的變形導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)兩種形式的組合運(yùn)動(dòng)，這勢(shì)必引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏 差甚至錯(cuò)誤。
[0004] 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)x通過(guò)砝碼自由落體對(duì)塔輪施加作用，引起塔輪上方圓盤(pán)發(fā)生勻角加速 度運(yùn)動(dòng)，通過(guò)改變砝碼質(zhì)量或者塔輪作用半徑來(lái)獲得不同的轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)x設(shè)備簡(jiǎn)單，便于操作，但其 要求測(cè)量者準(zhǔn)確判斷砝碼下落的起點(diǎn)和終點(diǎn)，因此時(shí)間測(cè)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(dòng)慣量測(cè)試方法，其測(cè)試原理并不直觀，也不容易讓學(xué)生理解 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平移定理與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角加速度無(wú)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(jiǎn)便、人為影響因 素少、原理明確直觀的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量與演示實(shí)驗(yàn)裝置。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量與演示實(shí)驗(yàn)裝置，它包括一端鉸接于支 座上可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的橫桿與通過(guò)滑道連接于橫桿另一端的轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒。其特征在于：所述 橫桿質(zhì)量分布均勻且相對(duì)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(dòng)；橫桿另一端設(shè)置有擋光片，并與轉(zhuǎn)動(dòng)加載 盒連接，通過(guò)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(dòng)；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(zhǎng)度為半徑。橫桿位于轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒 端的上部設(shè)有施力閥，推動(dòng)施力閥可以實(shí)現(xiàn)橫桿沿弧形滑槽滑動(dòng)，按下施力閥可將橫桿固 定于滑槽任意位置。所述轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒下部設(shè)有加載盒支座，轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(biāo)有以中心為零點(diǎn)左右對(duì)稱的刻度，用于測(cè)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(cè)定儀。
[0008] 本發(fā)明所述橫桿相對(duì)剛度大，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變形可以忽略，且橫桿長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于 試件尺寸。
[0009] 所述彈簧質(zhì)地均勻，且彈簧彈性范圍遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)中所施加的變形；
[0010] 所述橫桿與橫桿支座及轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒的接觸均光滑；
[0011] 所述滑槽有效長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的弧度在5?10°以內(nèi)；
[0012] 所述實(shí)驗(yàn)中橫桿發(fā)生的振動(dòng)屬于低阻尼自由振動(dòng)，阻尼對(duì)系統(tǒng)自由振動(dòng)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(dòng)的特性，根據(jù)虛功原理建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方 程如下：
[0014]

【權(quán)利要求】
1. 一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量與演示實(shí)驗(yàn)裝置，它包括橫桿、轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒、橫桿支座與轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)， 橫桿另一端連接于轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒的上橫梁與下滑槽，并可沿下滑槽自由滑動(dòng)，所述的橫桿與 轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒分別支撐于橫桿支座和轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒支座。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量與演示實(shí)驗(yàn)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(dòng)加載盒一端設(shè)有遮光片，橫桿剛 度大，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變形可以忽略，橫桿長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于試件尺寸，并且橫桿與橫桿支座轉(zhuǎn)軸 及轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量測(cè)量與演示實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于：所述轉(zhuǎn)動(dòng) 加載盒由彈簧振子、上橫梁、下滑槽及側(cè)板組成，轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒下部連接于加載盒支座，轉(zhuǎn)動(dòng) 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(biāo) 有對(duì)稱刻度，所述轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)加載 盒上橫梁間設(shè)有控制橫桿在滑槽滑動(dòng)位置的施力閥，所述轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)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(dòng)慣量測(cè)量與演示實(shí)驗(yàn)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(dòng)長(zhǎng)度為半 徑的圓弧形，所述圓弧形的有效弧長(zhǎng)對(duì)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(dòng)慣量測(cè)量與演示實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于測(cè)量剛體轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量的具體實(shí)驗(yàn)步驟為： (1) 調(diào)整橫桿支座與轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒支座，通過(guò)橫桿上的水平儀，使系統(tǒng)水平； (2) 調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒兩側(cè)的清零螺母，使橫桿位于轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒中心； (3) 推動(dòng)橫桿上的施力閥，使橫桿沿轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒滑道滑動(dòng)一定角度； (4) 打開(kāi)施力閥，橫桿沿轉(zhuǎn)動(dòng)加載盒滑道來(lái)回?cái)[動(dòng)，通過(guò)光電探頭與周期測(cè)定儀得到系 統(tǒng)空載振動(dòng)周期?；; (5) 測(cè)得待測(cè)試件質(zhì)量m，將待測(cè)試件通過(guò)試件連接孔固定于橫桿上某一位置，試件距 離橫桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸距離為U，試件中心與連接孔對(duì)應(yīng)，重復(fù)步驟（1)?（4)，測(cè)得系統(tǒng)振動(dòng)周期 為; (6) 變換待測(cè)試件在橫桿上的位置，使其距離橫桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸距離為1^2，重復(fù)步驟（1)? (4)，測(cè)得系統(tǒng)振動(dòng)周期為T(mén)2; (7) 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，假定計(jì)算參數(shù)4 = ，可以得到待測(cè)構(gòu)件位置1時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量名=- A2 )。
【文檔編號(hào)】G09B23/08GK104123865SQ201410326497
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)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(kù), 李奇楠 申請(qǐng)人:齊齊哈爾大學(xué)