轉動慣量教具儀的制作方法
【專利摘要】轉動慣量教具儀，在底座上安裝有發射裝置、擺角檢測裝置。本發明的基本思路是通過“角動量守恒”的知識點來實現的。通過彈射實驗小球，轉動平臺的V形擋板受到實驗小球的沖擊而轉動，轉動平臺因固定其上的檢測物的不同轉動慣量的特性呈一定的角速度旋轉，固定其上的單向擺臂記錄最大擺角。根據轉動慣量與擺角之間的換算關系，可知單向擺臂的擺角與轉動平臺上安裝的待檢測物的轉動慣量的大小大致成反比的關系。從而通過測量擺角大小來間接反映轉動慣量的大小。
【專利說明】轉動慣量教具儀
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于教具器械，特別涉及轉動慣量教具儀。
【背景技術】
[0002]轉動慣量是剛體繞軸轉動時慣性的量度。其量值取決于物體的形狀、質量分布及轉軸的位置，而同剛體繞軸的轉動狀態無關。剛體的轉動慣量有著重要的物理意義，在科學實驗、工程技術、航天、電力、機械、儀表等工業領域也是一個重要參量。
測定剛體轉動慣量的方法很多，常用的有三線擺、扭擺、復擺等。但是用于課堂上對轉動慣量進行講解，還沒有一個直觀的教具。
【發明內容】
[0003]為解決現有技術沒有簡便的器械對轉動慣量進行教學的不足，提供一種轉動慣量教具儀，這種教具儀操作方便、結構合理、能直觀地反映不同物體的轉動慣量，通過讓學生的親身體驗和參與來活躍課堂氣氛、提高學生學習熱情、鞏固轉動慣量這一知識點。
[0004]為解決上述問題，本發明采用以下技術方案:
轉動慣量教具儀，包括底座，在底座上安裝有發射裝置、擺角檢測裝置；
發射裝置包括安裝在底座上的彈射平臺，在彈射平臺上安裝有直線滑軌和彈射軌道，在直線滑軌上安裝有彈射接觸器，直線滑軌上彈射接觸器的后端套有發射彈簧，在其前端套有減震彈簧，在彈射接觸器上固定有手柄，在彈射平臺上安裝有楔形卡位塊，在楔形卡位塊與一滑桿固定連接，在彈射平臺與滑桿之間安裝有復位彈簧；
在彈射平臺前端安裝有擺角檢測裝置，擺角檢測裝置包括轉動平臺，轉動平臺通過軸承安裝于底座上；在轉動平臺上安裝有V形擋板，在轉動平臺的軸心處豎向安裝有固定桿，在固定桿上通過單向軸承安裝有擺臂，在擺臂末端固定有擺球，固定桿在擺臂的擺面上安裝有擺角刻度表；在轉動平臺的軸心處安裝有圓形轉動慣量檢測物。
[0005]上述的轉動慣量教具儀，若干個轉動平臺分別通過軸承固定在橫臂上，所有橫臂與一轉軸固定，轉軸與底座通過軸承連接；在底座上安裝有撥盤，撥盤與電機連接；轉動平臺的轉軸上固定有與撥盤配合的槽輪；撥盤分為半月形凸臺和撥柱，槽輪的凸角數量與轉動平臺數量一致，其凸角沿輻向開設與撥柱配合的凹槽，槽輪的凸角的凹邊與撥盤的半月形凸臺的外圓邊相抵觸；在不同的轉動平臺軸心安裝具有不同轉動慣量的圓形檢測物；
轉動平臺開設定位缺口，在定位缺口處安裝有滾珠推桿，滾珠推桿與滾珠滑軌通過滑槽滑軌結構配合，滾珠滑軌安裝于橫臂上，在底座上固定有抬升斜塊，滾珠推桿下端通過滑輪與抬升斜塊接觸配合；當滾珠推桿下端與上升斜塊接觸時，滾珠推桿的定位凸棱從轉動平臺的缺口處脫離，此時轉動平臺可自由轉動，與此同時V形擋板恰好位于彈射軌道正前方。
[0006]上述的轉動慣量教具儀，還包括回收裝置，回收裝置包括安裝于彈射軌道前方轉動平臺一側的漏斗，在漏斗下端連接與漏斗相通的回收軌道，回收軌道另一頭與一升降裝置連接，回收軌道從漏斗向升降裝置傾斜，通過升降裝置將回收的實驗小球送回彈射軌道。
[0007]上述的轉動慣量教具儀，所述的升降裝置包括安裝在底座上的豎直滑軌，在滑軌上安裝有滑塊，滑塊與一螺桿連接，螺桿與電機連接，滑塊上設有實驗小球回收容腔；當電機驅動螺桿轉動，帶動滑塊下降到底端時，實驗小球回收容腔與回收軌道處于同一平面，并且回收容腔低于回收軌道，以保證實驗小球通過重力作用從回收軌道落入回收容腔；在彈射平臺上固定有實驗小球接收軌道，該軌道與升降裝置的實驗小球回收容腔相接，且低于回收容腔，同時實驗小球的接收軌道又高于彈射軌道，可使實驗小球通過重力作用落入接收軌道再落入彈射軌道。
[0008]上述的轉動慣量教具儀，所述的發射裝置在彈射平臺下方安裝有卡塊支架，用于安裝復位彈簧的滑桿下端穿過卡塊支架下端的通孔與一彈射拉桿固定連接。
[0009]轉動慣量教具儀的基本思路是通過“角動量守恒”的知識點來實現的。通過彈射實驗小球，轉動平臺的V形擋板受到實驗小球的沖擊而轉動，轉動平臺形成一定的角速度，記錄單向擺臂的最大擺角。根據轉動慣量與擺角之間的換算關系，可知單向擺臂的擺角與轉動平臺上安裝的待檢測物的轉動慣量的大小大致成反比的關系。
[0010]本發明是通過測量擺臂的擺角大小來間接地反映轉動慣量的大小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明整體結構示意圖。
[0012]圖2為本發明彈射裝置彈射后的結構示意圖。
[0013]圖3為本發明彈射裝置彈射前卡鎖狀態的結構示意圖。
[0014]圖4為本發明撥盤未工作時的結構示意圖。
[0015]圖5為本發明撥盤撥動轉動平臺的槽輪時的結構示意圖。
[0016]圖6為本發明擺角檢測裝置抬升時的結構示意圖。
[0017]圖7為本發明擺角檢測裝置未抬升時的結構示意圖。
[0018]圖8為本發明轉動平臺抬升時的結構示意圖。
[0019]圖9為本發明轉動平臺未抬升時的結構示意圖。
[0020]圖10本為發明回收升降裝置的結構示意圖。
[0021]圖11為本發明滾珠推桿的結構示意圖。
[0022]圖12為本發明回收升降裝置的后視結構示意圖。
[0023]圖13為本發明回收升降裝置的正視結構示意圖。
[0024]圖中標記為:I底座，11手柄，12彈射接觸器，13楔形卡塊，14直線滑軌，15彈射軌道，16發射彈簧，17減震彈簧，18復位彈簧，19滑桿，191彈射拉桿，192卡塊支架，111彈射平臺，210、220、230擺角刻度表，2100、2200、2300轉動平臺上的固定桿，211、221、231擺臂，212、222、232 圓形轉動慣量檢測物，213、223、233V 形擋片，214、224、234 橫臂，215、225、235滑輪，216、226、236轉動平臺，217、227、237擺球，218滾珠滑軌，219、239滾珠推桿，2199定位缺口，4抬升斜塊，51回收漏斗，52回收軌道，53升降螺桿，54電機，55滑塊，56回收容腔，57接收軌道,58限位靠板,59升降電機固定板,6撥盤,61撥盤的半月形凸臺，62撥桿,63轉軸，64槽輪，65槽輪凸角上的輻向開槽。
【具體實施方式】
[0025]實施例一
轉動慣量教具儀，包括底座1，在底座上安裝有發射裝置、擺角檢測裝置；
發射裝置包括安裝在底座上的彈射平臺111，在彈射平臺上安裝有直線滑軌14和彈射軌道15，在直線滑軌上安裝有彈射接觸器12，直線滑軌上彈射接觸器的后端套有發射彈簧16，在其前端套有減震彈簧17，在彈射接觸器上固定有手柄11，在彈射平臺上安裝有楔形卡位塊13，在楔形卡位塊與一滑桿19固定連接，在彈射平臺下方安裝有卡塊支架192，用于安裝復位彈簧的滑桿下端穿過卡塊支架下端的通孔與一彈射拉桿191固定連接，有復位彈簧18套裝于滑桿19外側。
[0026]在彈射平臺前端安裝有擺角檢測裝置，單個擺角檢測裝置包括一轉動平臺216，；在轉動平臺上安裝有V形擋板213，在轉動平臺的軸心處豎向安裝有固定桿2100，在固定桿上通過單向軸承安裝有擺臂211，在擺臂末端固定有擺球217，固定桿在擺臂的擺面上安裝有擺角刻度表210 ;在轉動平臺的軸心處安裝有圓形轉動慣量檢測物212。
[0027]本實施例中包括三個擺角檢測裝置，這三個擺角檢測裝置的轉動平臺分別通過軸承固定在橫臂214、224、234上，三只橫臂與一轉軸63固定，轉軸與底座I通過軸承連接；在底座上安裝有撥盤6，撥盤與電機連接；轉動平臺的轉軸上63固定有與撥盤配合的槽輪64;撥盤分為半月形凸臺61和撥柱62。本例中，槽輪的凸角數量與轉動平臺數量一致，為三個，槽輪凸角沿輻向開設與撥柱配合的凹槽65，槽輪的凸角的凹邊與撥盤的半月形凸臺61的外圓邊相抵觸；在不同的轉動平臺軸心安裝具有不同轉動慣量的圓形檢測物212、222、232 ；
轉動平臺開設定位缺口 2199，在定位缺口處安裝有滾珠推桿219，滾珠推桿與滾珠滑軌218通過滑槽滑軌結構配合，滾珠滑軌安裝于橫臂214上，在底座上固定有抬升斜塊4，滾珠推桿下端通過滑輪215與抬升斜塊接觸配合；當滾珠推桿下端與上升斜塊接觸時，滾珠推桿的定位凸棱從轉動平臺的缺口處脫離，這樣轉動平臺可自由轉動，與此同時V形擋板恰好位于彈射軌道正前方。
[0028]還包括一回收裝置，回收裝置包括安裝于彈射軌道前方轉動平臺一側的漏斗51，在漏斗下端連接與漏斗相通的回收軌道52，回收軌道另一頭與一升降裝置連接，回收軌道從漏斗向升降裝置傾斜，通過升降裝置將回收的實驗小球送回彈射軌道。
[0029]升降裝置包括安裝在底座上的限位靠板58，在升降螺桿上安裝有滑塊55，滑塊55通過平靠在限位靠板58的豎直端面上不致發生轉動，從而滑塊可因螺桿轉動而上下滑動；螺桿與電機通過齒輪副嚙合連接，滑塊上設有實驗小球回收容腔56 ；當電機驅動螺桿轉動，帶動滑塊下降到底端時，實驗小球回收容腔與回收軌道處于同一平面，并且回收容腔低于回收軌道，以保證實驗小球通過重力作用從回收軌道落入回收容腔；在彈射平臺上固定有實驗小球接收軌道57，該接收軌道與升降裝置的實驗小球回收容腔相接，且低于回收容腔，同時實驗小球的接收軌道57又高于彈射軌道15，可使實驗小球通過重力作用落入接收軌道再落入彈射軌道。
[0030]整個回收裝置，回收軌道、與滑塊連接的實驗小球回收容腔、接收軌道、彈射軌道，首尾互接，并且從高到低進行安裝，這樣，實驗小球可以依重力作用，從漏斗這個高的一端滑最終滑落到彈射軌道內，以便進行下一次發射。
[0031]將實驗小球放在彈射軌道上，再將發射裝置的手柄向后拉，彈射接觸器與楔形卡塊相卡，釋放彈射拉桿，即將其下拉，楔形卡塊跟隨向下移動，當楔形卡塊上頂面與彈射平臺上端面齊平時，彈射接觸器脫離楔形卡塊，發射彈簧將彈射接觸器向前頂出，將位于彈射軌道的實驗小球向前彈出，彈射接觸器彈出后，復位彈簧將楔形卡塊向上頂出彈射平臺上端面進行復位。
[0032]三只安裝有不同轉動慣量檢測物的轉動平臺，可以通過V形擋塊接受實驗小球的三次彈射撞擊，轉動平臺受撞擊后轉動，安裝其上的擺臂通過單向軸承的作用，擺臂將停止于最大擺角，這一擺角反應了轉動慣量的大小。通過將擺臂向旋轉方向手工轉動，可對擺臂進行復位，用于下次的撞擊記錄。
[0033]通過撥盤的撥柱，實現對三個轉動檢測平臺的換位。撥盤轉動，撥柱卡入槽輪的開槽，帶動槽輪轉動，同時帶動轉動平臺的轉動，轉動平臺滾珠推桿下端的滑輪與抬升斜塊接觸，抬升斜塊將滾球推桿沿滾珠滑軌向上頂起，滾珠推桿的定位凸棱與轉動平臺的定位缺口分離，使得轉動平臺可以自由轉動。
[0034]滾珠推桿定位凸棱與定位缺口分離時，V形擋塊恰好位于彈射軌道的正前方，此時V形擋塊可用于接受彈射出的實驗小球的正面撞擊。而此時撥柱從槽輪的開槽也恰好脫離，撥盤的半月形凸臺的側邊與槽輪凸角的側邊相抵觸，撥盤的向前轉動誤差不致使槽輪繼續轉動，這樣保證了 V形擋塊與彈射軌道保持在一條直線。而撥盤的下一次對槽輪的帶動，又可以使下一個轉動平臺的V形擋塊對準彈射軌道。
[0035]結合帶傾角的回收軌道，可以重復彈射實驗小球，以獲取三個檢測物的轉動慣量與擺角的對應實驗數據。
【權利要求】
1.轉動慣量教具儀，包括底座，其特征在于在底座上安裝有發射裝置、擺角檢測裝置； 發射裝置包括安裝在底座上的彈射平臺，在彈射平臺上安裝有直線滑軌和彈射軌道，在直線滑軌上安裝有彈射接觸器，直線滑軌上彈射接觸器的后端套有發射彈簧，在其前端套有減震彈簧，在彈射接觸器上固定有手柄，在彈射平臺上安裝有楔形卡位塊，在楔形卡位塊與一滑桿固定連接，在彈射平臺與滑桿之間安裝有復位彈簧； 在彈射平臺前端安裝有擺角檢測裝置，擺角檢測裝置包括轉動平臺，轉動平臺通過軸承安裝于底座上；在轉動平臺上安裝有V形擋板，在轉動平臺的軸心處豎向安裝有固定桿，在固定桿上通過單向軸承安裝有擺臂，在擺臂末端固定有擺球，固定桿在擺臂的擺面上安裝有擺角刻度表；在轉動平臺的軸心處安裝有圓形轉動慣量檢測物。
2.如權利要求1所述的轉動慣量教具儀，其特征在于若干個轉動平臺分別通過軸承固定在橫臂上，所有橫臂與一轉軸固定，轉軸與底座通過軸承連接；在底座上安裝有撥盤，撥盤與電機連接；轉動平臺的轉軸上固定有與撥盤配合的槽輪；撥盤分為半月形凸臺和撥柱，槽輪的凸角數量與轉動平臺數量一致，其凸角沿輻向開設與撥柱配合的凹槽，槽輪的凸角的凹邊與撥盤的半月形凸臺的外圓邊相抵觸；在不同的轉動平臺軸心安裝具有不同轉動慣量的圓形檢測物； 轉動平臺開設定位缺口，在定位缺口處安裝有滾珠推桿，滾珠推桿與滾珠滑軌通過滑槽滑軌結構配合，滾珠滑軌安裝于橫臂上，在底座上固定有抬升斜塊，滾珠推桿下端通過滑輪與抬升斜塊接觸配合；當滾珠推桿下端與上升斜塊接觸時，滾珠推桿的凸棱從轉動平臺的缺口處脫離，此時轉動平臺可自由轉動，與此同時V形擋板恰好位于彈射軌道正前方。
3.如權利要求1所述的轉動慣量教具儀，其特征在于還包括回收裝置，回收裝置包括安裝于彈射軌道前方轉動平臺一側的漏斗，在漏斗下端連接與漏斗相通的回收軌道，回收軌道另一頭與一升降裝置連接，回收軌道從漏斗向升降裝置傾斜，通過升降裝置將回收的實驗小球送回彈射軌道。
4.如權利要求3所述的轉動慣量教具儀，其特征在于所述的升降裝置包括安裝在底座上的豎直滑軌，在滑軌上安裝有滑塊，滑塊與一螺桿連接，螺桿與電機連接，滑塊上設有實驗小球回收容腔；當電機驅動螺桿轉動，帶動滑塊下降到底端時，實驗小球回收容腔與回收軌道處于同一平面，并且回收容腔低于回收軌道，以保證實驗小球通過重力作用從回收軌道落入回收容腔；在彈射平臺上固定有實驗小球接收軌道，該軌道與升降裝置的實驗小球回收容腔相接，且低于回收容腔，同時實驗小球的接收軌道又高于彈射軌道，可使實驗小球通過重力作用落入接收軌道再落入彈射軌道。
5.如權利要求1所述的轉動慣量教具儀，其特征在于所述的發射裝置在彈射平臺下方安裝有卡塊支架，用于安裝復位彈簧的滑桿下端穿過卡塊支架下端的通孔與一彈射拉桿固定連接。
【文檔編號】G09B23/10GK104346977SQ201410406912
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】陳上鉆, 周琦, 李佳明, 鄒衛星, 張智謙 申請人:浙江工業大學