本實用新型涉及了一種實驗測量儀器，尤其是涉及了一種KK軸承法轉(zhuǎn)動慣量測量儀器。

背景技術(shù)：

轉(zhuǎn)動慣量測量反映的是物體轉(zhuǎn)動的屬性。轉(zhuǎn)動定律是描述物體定軸轉(zhuǎn)動的基本定律。為了減小摩擦阻力對實驗的影響，本儀器采用高精度KK軸承來作為轉(zhuǎn)動軸。

轉(zhuǎn)動慣量測量一直是高校物理實驗室必開的實驗內(nèi)容?，F(xiàn)在各高校絕大多數(shù)轉(zhuǎn)動慣量儀器都是三線擺測量儀或扭擺式測量儀。但是這兩儀器的基本原理與理論書上講述的原理有很大的出入，它只是實現(xiàn)了轉(zhuǎn)動慣量量的近似測量，并不能與理論書上講的同步和銜接，學生比較難理解。這些實驗儀器實際脫離了書本，這正是眾多實驗儀器的最大困惑，也是困擾現(xiàn)今高校實驗室建設的最大難題。儀器越來越多，符合的儀器越來越少。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本實用新型所提供了一種KK軸承法轉(zhuǎn)動慣量測量儀器，采用基于KK軸承法的方式測量轉(zhuǎn)動慣量。

本實用新型采用的技術(shù)方案是：

本實用新型包括底座以及安裝在底座上的光電門和支架，支架豎直安裝在底座上，轉(zhuǎn)動頭通過軸承組件以無摩擦的方式套在轉(zhuǎn)軸的一端上，轉(zhuǎn)軸的另一端鉸接安裝在支架頂端，轉(zhuǎn)軸水平安裝；轉(zhuǎn)動頭周面的安裝有平衡組件和掛重組件，轉(zhuǎn)動頭正下方的底座兩側(cè)對稱地安裝有光電門，光電門用于與平衡組件配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)動頭旋轉(zhuǎn)角速度檢測，光電門與測量儀連接，測量儀僅采集光電門的信號。

所述的平衡組件包括兩根平衡桿、兩個圓柱件、調(diào)節(jié)螺帽和擋光片，兩根平衡桿對稱地沿徑向插裝在轉(zhuǎn)動頭周面的兩側(cè)，一側(cè)的平衡桿上套有圓柱件和調(diào)節(jié)螺帽，另一側(cè)的平衡桿上套有圓柱件和擋光片，所述的光電門位于擋光片繞轉(zhuǎn)動頭中心軸周向旋轉(zhuǎn)的圓周路徑上。

所述的掛重組件包括拉線和掛重端拉線上端與轉(zhuǎn)動頭的周面固定連接，拉線下端與掛重端連接，掛重端設置用于提供轉(zhuǎn)動慣量的重物。

所述圓柱件固定在平衡桿上，調(diào)節(jié)螺帽用于調(diào)節(jié)平衡桿的力矩，使得轉(zhuǎn)動 頭和平衡組件形成的系統(tǒng)的重心位于轉(zhuǎn)動頭中心。

所述的擋光片為U形結(jié)構(gòu)。

所述的光電門包括電源E、電阻R、電容C和二極管D，電阻R和二極管D串聯(lián)在電源E兩端，電容C并聯(lián)在電阻R兩端，電容C的兩端分別連接單片機CLK，單片機CLK分別與顯示器和控制器連接。

所述的轉(zhuǎn)動頭包括底柱、KK軸承、軸承固定套、中心軸和轉(zhuǎn)動套，中心軸的兩端通過KK軸承分別套在兩個軸承固定套中，兩個軸承固定套分別套接在轉(zhuǎn)動套兩端內(nèi)，中心軸其中一段套裝在底柱的一端內(nèi)，底柱的另一端與轉(zhuǎn)軸同軸連接，轉(zhuǎn)動套的側(cè)壁設有用于平衡桿插裝的孔。通過極小阻力的KK軸承的連接和中間軸承固定套的過渡套接使得轉(zhuǎn)動頭通過軸承組件以無摩擦的方式套在轉(zhuǎn)軸的一端上。

軸套裝在軸承上，可以連著整個一起自由轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動臂上刻有長度標志，以便調(diào)節(jié)圓柱體到軸心的距離。改變量圓柱體到軸心的距離就可以改變質(zhì)量分布，即改變了轉(zhuǎn)動慣量。擋光片裝在轉(zhuǎn)動臂的一端，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動時，擋光片對光電門進行擋光。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型儀器是一種新的儀器裝置，其設計原理與教科書上的理論完全符合，能做到實驗不脫離書本，能夠容易理解和展示。

附圖說明

圖1是圓柱體轉(zhuǎn)動慣量的原理示意圖。

圖2是簡單轉(zhuǎn)軸實驗的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本實用新型儀器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實用新型合力矩作用下轉(zhuǎn)軸力矩示意圖。

圖5是轉(zhuǎn)動頭的結(jié)構(gòu)爆炸圖。

圖中：1、轉(zhuǎn)動頭，2、平衡桿，3、圓柱件，4、調(diào)節(jié)螺帽，5、擋光片，6、光電門，7、支架，8、轉(zhuǎn)軸，9、測量儀，10、拉線，11、掛重端，12、底座；101、底柱，102、KK軸承，103、軸承固定套，104、中心軸，105、轉(zhuǎn)動套。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。

如圖3所示，本實用新型包括底座12以及安裝在底座上的光電門6和支架7，支架7豎直安裝在底座12上，轉(zhuǎn)動頭1通過軸承組件以無摩擦的方式套在轉(zhuǎn)軸8的一端上，轉(zhuǎn)軸8的另一端鉸接安裝在支架7頂端，轉(zhuǎn)軸8水平安裝；轉(zhuǎn)動頭1周面的安裝有平衡組件和掛重組件，轉(zhuǎn)動頭1正下方的底座12兩側(cè)對 稱地安裝有光電門6，光電門6用于與平衡組件配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)動頭1旋轉(zhuǎn)角速度檢測，光電門6與測量儀9連接。

平衡組件包括兩根平衡桿2、兩個圓柱件3、調(diào)節(jié)螺帽4和擋光片5，兩根平衡桿2對稱地沿徑向插裝在轉(zhuǎn)動頭1周面的兩側(cè)，一側(cè)的平衡桿2上套有圓柱件3和調(diào)節(jié)螺帽4，另一側(cè)的平衡桿2上套有圓柱件3和擋光片5，擋光片5為U形結(jié)構(gòu)，光電門6位于擋光片5繞轉(zhuǎn)動頭1中心軸周向旋轉(zhuǎn)的圓周路徑上。圓柱件3固定在平衡桿2上，調(diào)節(jié)螺帽4用于調(diào)節(jié)平衡桿2的力矩，使得轉(zhuǎn)動頭1和平衡組件形成的系統(tǒng)的重心位于轉(zhuǎn)動頭1中心。

掛重組件包括拉線10和掛重端11拉線10上端與轉(zhuǎn)動頭1的周面固定連接，拉線10下端與掛重端11連接，掛重端11設置用于提供轉(zhuǎn)動慣量的重物。

如圖5所示，轉(zhuǎn)動頭1包括底柱101、KK軸承102、軸承固定套103、中心軸104和轉(zhuǎn)動套105，中心軸104的兩端通過KK軸承102分別套在兩個軸承固定套103中，兩個軸承固定套103分別套接在轉(zhuǎn)動套105兩端內(nèi)，中心軸104其中一段套裝在底柱101的一端內(nèi)，底柱101的另一端與轉(zhuǎn)軸8同軸連接，轉(zhuǎn)動套105的側(cè)壁設有用于平衡桿2插裝的孔。

本實用新型的測量原理如下：

轉(zhuǎn)動慣量是物體在轉(zhuǎn)動中的慣性大小的度量。對質(zhì)量為m，半徑為r，長為L的均勻圓柱體，當轉(zhuǎn)軸通過質(zhì)心并且垂直于幾何軸時，圓柱體對該軸的轉(zhuǎn)動慣量J_C的大小為：

如果轉(zhuǎn)軸與通過上述質(zhì)心的轉(zhuǎn)軸平行但不通過質(zhì)心，且之間的距離為D，見圖1，則可采用以下公式獲得圓柱體對該軸的轉(zhuǎn)動慣量為：

J_圓柱體＝J_C+mD²

如圖2所示的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，如果沒有兩圓柱體時轉(zhuǎn)動慣量為J₀，那么兩圓柱體裝上后，轉(zhuǎn)動慣量J為：

設則

從上式可看到，轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量與其質(zhì)量相對于轉(zhuǎn)軸的分布情況有關(guān)，雖然系統(tǒng)總質(zhì)量不變，但是由于圓柱體m離開轉(zhuǎn)軸的距離D變化，J也變化。通過實驗測出不同D時的對應J值，并作J—D²圖，可以得到一條直線，直線的斜率就是這兩個圓柱體的質(zhì)量之和，直線在J軸上的截距就是常數(shù)J。

如圖4所示，通過掛重物體的合外力矩M地作用下，所獲得的角加速度與合外力矩地大小乘正比，與轉(zhuǎn)動慣量成反比，即M＝Jβ。

因此本實用新型采用上述方案通過實驗的方法測量合外力矩M和β，然后直接根據(jù)轉(zhuǎn)動定律間接測得轉(zhuǎn)動慣量J的大小。