驗證角動量守恒定律的一演示實驗方法

劉世明

（濮陽職業技術學院，河南 濮陽 457000）

1 引言

角動量守恒定律是自然界的普遍規律，在技術上也有著重要的應用.在物理教學中，對角動量守恒內容的教學，傳統的方法是使用茹科夫斯基轉椅并配以2個啞鈴和1個較為笨重的自行車車輪，由2人配合操作得以完成；二是以芭蕾舞演員、花樣滑冰運動員、跳水運動員為例定性介紹角動量守恒定律及其應用，［1］以幫助學生理解和掌握這個規律.本文介紹的演示實驗能演示轉動慣量中質量變化及轉矩的變化對角速度的影響，演示內容全面，現象清晰，有助于加強學生對角動量守恒定律的理解.

2 原理

由系統的角動量守恒定律［2］知：當系統繞固定軸轉動所受外力矩為0時，對該轉動軸的轉動慣量I與轉動角速度ω的乘積為一不變的量，即Iω＝常量，其中I＝它的大小取決于轉動系統中每個物體的質量與這一物體到轉軸的距離的平方乘積的總和.系統繞固定軸轉動所受外力矩為0時，mi、ri發生變化，ω隨之發生變化.

3 演示裝置結構

支座與支架采用木質材料，膠管用醫用膠管制成；傳導輪與支撐輪選用鋁質材料做成；U型金屬槽選用鋁合金材；伸縮桿選用舊電視機天線改制而成；無底瓶用礦泉水瓶去底加工而成.

圖1

整個裝置可繞豎直轉軸在水平面內自由旋轉，兩支撐輪（12）可繞自身軸轉動，軸兩端各連接兩無底瓶并可在U型金屬槽中水平移動，同時又可隨整個裝置繞豎直轉軸在水平面內自由旋轉.為了提高轉動時的穩定性和演示效果，轉動軸均裝上軸承（5）、（9）、（16）以減小摩擦.示意圖如圖1所示.

4 工作過程

設每瓶裝滿水的質量為m0，瓶到轉動軸的初始距離為r0.

4.1 轉距r的變化與轉動角速度ω關系的演示

先向4只瓶內注水，由于瓶內有玻璃管，只能注水至與玻璃管管口平，其水質量約為.使整個系統轉動起來（轉速約為1r／s），用手捏緊伸縮桿上端軸承（16）的外邊緣，并迅速向上提起.這時在拉繩（10）的牽引下，4只瓶子迅速向轉軸靠攏，縮短至離轉軸距離約.由于轉動部分轉動慣量 減小，可觀察到角速度ω明顯增大；松手后，在橡皮筋恢復力作用下瓶子恢復到原位置，角速度ω減小（ω可在1～4r／s間變化）.

4.2 質量的變化與轉動角速度關系的演示

用小木塞堵住金屬管（6）的下出水口，并向瓶內注滿水.松開木塞，使系統轉動（轉速約1r／s），隨著水連續流失，轉動慣量連續變小，可觀察到轉動角速度ω逐漸變大（最后轉速可達約2r／s）.

注意事項：制作過程軸承（5）、（16）加潤滑油，U型槽做到盡量光滑以減少摩擦.

5 結語

我們在實踐教學中，根據教學需要，擬定了一些制作素材，并對這些素材進行可行性評估后，鼓勵學生創新思路完成制作相應的演示裝置，已經成為完善和發展演示實驗及實訓教學的重要組成部分.此舉一方面充實完善了實踐教學，另一重要方面也培養了學生的實踐能力.

1 陳熙謀.物理演示實驗［M］.北京：高等教育出版社，2001：22-23.

2 潘人培等.物理實驗教學參考書［M］.北京：高等教育出版社，1990：57-59.