遙控式角動量守恒演示儀

摘 要：本文介紹了一種用于大學物理課堂演示角動量守恒原理的實驗儀器，該儀器演示效果明顯，方便攜帶，結構簡單，易于制作和維修。

關鍵詞：物理演示實驗;角動量守恒;遙控

物理學是一門實驗的科學，在物理學習中應把知識學習和實驗實踐結合起來，這對學生準確地理解應用知識有很大的幫助。動量守恒定律、角動量守恒定律和機械能守恒定律是基礎物理中的三大守恒定律，動量守恒定律和機械能守恒定律在高中物理中已有涉及，角動量守恒定律是大學物理中才開始學習的新概念，學生接受起來比較困難，更需要通過課堂演示實驗增強學習興趣，降低學習難度，提高學習效果。目前已有的角動量守恒演示儀，有的過于笨重，教師帶上課堂比較麻煩;有的方便攜帶，但由于系統摩擦比較大，導致演示效果不明顯;還有完全是手動的，演示的時候很不方便。鑒于以上情況，在西南石油大學開放實驗項目的資助下，團隊教師和學生動腦動手設計制作了遙控式角動量守恒演示儀。

一、裝置結構與制作

lt;E：＼ZCM＼理論版＼7上＼TP＼t1.tifgt;

注：1.支架，2.底座，3.支持軸承，4.固定孔，5.上轉軸，6.下轉軸，7.安裝盒，8.右橫圓筒，9.左橫圓筒，10.固定螺釘，11.不銹鋼小球，12.拉線，13.手旋螺釘

圖1 遙控式角動量守恒演示儀結構圖

遙控式角動量守恒演示儀，主要由遙控器、底座支架和轉動部分組成。支架由活動連接的三塊板構成，并可用手旋螺釘固定在底座上;底座上安裝支撐軸承，豎直上方的支架上打了固定孔。轉動部分中央的安裝盒下方圓筒中用螺釘固定下轉軸的一端，下轉軸的另一端放在支撐軸承上。安裝盒上方圓筒中用螺釘固定上轉軸的一端，上轉軸的另一端穿過架上的固定孔。在安裝盒的左邊圓筒中用螺釘固定左橫圓筒，在安裝盒的右邊圓筒中，用螺釘固定右橫圓筒，左右橫圓筒中各放置一個不銹鋼小球，頂端各安裝1個固定螺釘，以防止小球滑出圓筒。一根棉線兩端連著兩個不銹鋼小球上的拉環，中點固定在安裝盒內的繞線器上。繞線器軸的一端穿過安裝盒上的固定孔，另一端通過套筒套在安裝盒內的減速電機軸的轉軸上。減速電機的電源輸入端與安裝盒內的tk01型遙控電路板的電源輸出端相連，遙控電路板用安裝盒內的6v干電池供電。

二、演示原理與方法

演示儀可轉動部分在自由轉動過程中，所受的合外力矩對轉軸的分量為零，對轉軸角動量守恒，即Mz=0則Lz=恒量。再根據角動量的定義和轉動慣量與質量分布的關系，當演示儀自由轉動時：Lz=Jω=（J0+2md2）ω=恒量。用手推動橫圓筒自由旋轉，然后用遙控器控制遙控電路板給電機供電，電機轉動，帶動繞線器纏繞拉線，拉動不銹鋼小球靠近轉軸，小球到轉軸距離d減小，兩小球轉動慣量2md2減小，整個轉動部分的轉動慣量J減小，導致轉動速度ω會增加;當用遙控器控制遙控電路板給電機反向供電，電機反向旋轉，帶動繞線器釋放拉線，不銹鋼小球可以在重力的下滑分力和慣性離心力的作用下，克服摩擦力，遠離轉軸，轉動部分的轉動慣量增加，導致轉動速度ω會減小。用遙控器控制遙控電路板給電機停止供電，電機停止轉動，小球到轉軸距離d不變，轉速ω應該保持不變。

三、結束語

支撐軸承和固定孔處的摩擦力矩以及轉動中的空氣阻力矩是導致轉動部分角動量減小的主要原因。通過添加潤滑油和控制轉動部分的轉動速度不要太快，可以很好地解決這兩個問題。兩個橫圓筒要與水平方向向下夾角為5O，如果沒有這個傾角，就沒有下滑分力，當轉動部分轉速較小的時候，慣性離心力可能會小于小球受到的摩擦力，而導致小球無法向遠離轉軸的方向運動，從導致演示失敗。轉動部分在一次旋轉中，不銹鋼小球可以來回運動很多次，轉速可以經歷多次的快慢變化，大大延長了演示的時間。儀器大部分使用用透明有機玻璃制成，可以清楚看到儀器的運行，實驗效果更明顯。轉動部分整體可以輕松取下和支架底座一起收到儀器盒里，便于攜帶。遙控方式可以減小摩擦，提高演示效果，還能減少儀器損耗。結構簡單，所有部件均可拆卸，易于制作和維修。

參考文獻：

[1]王秉超.普通物理演示實驗新編[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]吳百詩.大學物理（上冊）[M].西安：西安交通大學出版社，2008.