一种转动惯量演示仪

1.本技术涉及物理实验教学仪器技术领域，具体涉及一种转动惯量演示仪。


背景技术：

2.转动惯量，是刚体绕轴转动时惯性的量度，也可理解为一个物体对于旋转运动的惯性，其量值取决于物体的形状、质量分布及转轴的位置。
3.目前，公知的刚体转动惯量演示装置一般由若干质量相同、直径相同、但质量分布不同的滚筒状刚体和一圆弧轨道组成。
4.在实际操作中，将不同滚筒从圆弧轨道上端同一高度同时释放，由于质量分布不同，造成滚筒的转动惯量不同，在相同的重力矩作用下，转动惯量小的滚筒滚动速度较快，转动惯量大的滚筒滚动速度较慢。通过滚动速度的变化,来演示质量分布对转动惯量的影响。像这样的演示装置，只是简单的比较两个刚体之间在斜面中的滚动快慢，整体实验过程虽具备直观性，但观察结果存在主观偏差，实验结果精确度不足。
5.此外，这种已有的刚体转动惯量演示装置只能演示质量分布对转动惯量的影响，因此使用范围局限。


技术实现要素：

6.本技术实施例中提供一种转动惯量演示仪，能够提高实验结果的精度以及使用范围。
7.本技术提供一种转动惯量演示仪，包括演示仪基座以及圆柱形演示器，其中：
8.所述演示仪基座包括木质基座、滚动轨道、第一轨道挡板、第二轨道挡板、弹簧挡板、计时器、计时器开始按钮、计时器停止按钮以及制动挡板，所述滚动轨道在所述木质基座上相对水平面倾斜布置，所述第一轨道挡板以及所述第二轨道挡板分别安装在所述滚动轨道两侧，所述弹簧挡板安装在所述滚动轨道顶部，所述计时器以及所述计时器开始按钮安装在所述木质基座侧面，所述制动挡板安装在所述滚动轨道底部，所述计时器停止按钮安装在所述制动挡板与所述滚动轨道对应的一面，所述计时器开始按钮以及所述计时器停止按钮分别与所述计时器连接，所述计时器开始按钮还与所述弹簧挡板连接；
9.所述圆柱形演示器包括演示器主体、第一内嵌体以及第二内嵌体，所述演示器主体的一侧面镂空设有形状相同的主芯以及副芯，所述主芯设置在所述演示器主体侧面的中心位置，所述副芯设置在所述演示器主体侧面的非中心位置，所述第一内嵌体的材质与所述演示器主体的材质相同，所述第一内嵌体形状与所述第二内嵌体的形状相同，但所述第一内嵌体的材质以及质量与所述第二内嵌体材质以及质量均不同，所述主芯以及所述副芯均可固定放置所述第一内嵌体以及所述第二内嵌体；
10.当需要进行质量因素对转动惯量的影响的实验时，所述主芯放置所述第二内嵌体，所述副芯放置所述第一内嵌体，当需要进行质量分布对转动惯量的影响的实验时，所述主芯放置所述第一内嵌体，所述副芯放置所述第二内嵌体；
11.实验开始前，所述圆柱形演示器通过所述弹簧挡板在所述滚动轨道上保持静止，实验开始时，按下所述计时器开始按钮时，所述弹簧挡板弹开，同时所述圆柱形演示器开始沿所述滚动轨道滚落，所述计时器开始计时，当所述圆柱形演示器滚落至所述计时器停止按钮处时，所述圆柱形演示器的冲击力按下所述计时器停止按钮，所述计时器结束计时，并显示滚动时间。
12.在一些实施例中，所述演示器主体以及所述第一内嵌体为木质材料，所述第二内嵌体为钢质材料。
13.在一些实施例中，所述第一轨道挡板以及所述第二轨道挡板均为亚克力材质。
14.在一些实施例中，所述弹簧挡板设置在距离所述滚动轨道顶部10cm处。
15.在一些实施例中，所述滚动轨道为木质材料。
16.在一些实施例中，所述弹簧挡板为金属材质。
17.在一些实施例中，所述制动挡板为木质材料。
18.在一些实施例中，所述制动挡板包括挡板以及弹簧底座，所述弹簧底座安装在所述滚动轨道下方，且所述弹簧底座与所述计时器及所述计时器开始按钮安装在同一侧，所述计时器开始按钮与所述弹簧底座连接，当所述计时器开始按钮被按下时，通过所述弹簧底座弹开所述挡板。
19.在一些实施例中，所述滚动轨道与水平面的夹角不小于20
°
且不大于35
°
。
20.在一些实施例中，所述滚动轨道的长度为1m。
21.本方案提供的转动惯量演示仪，当需要进行质量因素对转动惯量的影响的实验时，所述主芯放置所述第二内嵌体，所述副芯放置所述第一内嵌体，当需要进行质量分布对转动惯量的影响的实验时，所述主芯放置所述第一内嵌体，所述副芯放置所述第二内嵌体；实验开始前，所述圆柱形演示器通过所述弹簧挡板在所述滚动轨道上保持静止，实验开始时，按下所述计时器开始按钮时，所述弹簧挡板弹开，同时所述圆柱形演示器开始沿所述滚动轨道滚落，所述计时器开始计时，当所述圆柱形演示器滚落至所述计时器停止按钮处时，所述圆柱形演示器的冲击力按下所述计时器停止按钮，所述计时器结束计时，并显示滚动时间。可见，本实施例中的转动惯量演示仪可以自动计时，排除主观计时的误差，提高实验结果的精确度，并且本实施例中的转动惯量演示仪通过变换内嵌体的位置，不仅可以进行质量因素对转动惯量的影响的实验，还可以进行质量分布对转动惯量的影响的实验，从而提高了转动惯量演示仪的使用范围，解决了现有的转动惯量演示仪只能局限于演示单因素影响转动惯量的问题。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本技术实施例提供的转动惯量演示仪一个实施例结构示意图；
24.图2是本技术实施例提供的圆柱形演示器的一个截面结构示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.在本技术中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本技术中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本技术，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本技术。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本技术的描述变得晦涩。因此，本技术并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本技术所公开的原理和特征的最广范围相一致。
28.本技术实施例提供一种转动惯量演示仪，转动惯量演示仪包括演示仪基座1以及圆柱形演示器2。以下分别进行详细说明。
29.请参阅图1，图1是本技术实施例提供的转动惯量演示仪一个实施例结构示意图。
30.如图1所示，本技术实施例中，演示仪基座1包括木质基座11、滚动轨道12、第一轨道挡板13、第二轨道挡板14、弹簧挡板15、计时器16、计时器开始按钮17、计时器停止按钮18以及制动挡板19，滚动轨道12在木质基座11上相对水平面倾斜布置，第一轨道挡板13以及第二轨道挡板14分别安装在滚动轨道12两侧，弹簧挡板15安装在滚动轨道12顶部，计时器16以及计时器开始按钮17安装在木质基座11侧面，方便实验人员对转动惯量演示仪进行开始操作和查看实验结果。制动挡板19安装在滚动轨道12底部，计时器停止按钮18安装在制动挡板19与滚动轨道12对应的一面，计时器开始按钮17以及计时器停止按钮18分别与计时器16连接，计时器开始按钮17还与弹簧挡板15连接；
31.其中，弹簧挡板15与滚动轨道12之间形成凹槽，使得实验开始前圆柱形演示器2保持静止，减小实验误差；对应于滚动轨道12的末端设有的制动挡板19，制动挡板19用于制动滚落的圆柱形演示器2，以防止圆柱形演示器2滚出基座1，防止圆柱形演示器2受损，同时也利于提高操作人员的安全性。
32.安装在滚动轨道12两侧的第一轨道挡板13以及第二轨道挡板14用于防止圆柱形演示器2在实验中发生轨迹偏移，影响实验结果。
33.请参阅图2，图2是本技术实施例提供的圆柱形演示器的一个截面结构示意图。圆柱形演示器2包括演示器主体21、第一内嵌体22以及第二内嵌体23，演示器主体21的一侧面
镂空设有形状相同的主芯24以及副芯25，主芯24设置在演示器主体21侧面的中心位置，副芯25设置在演示器主体21侧面的非中心位置，第一内嵌体22的材质与演示器主体21的材质相同，第一内嵌体22形状与第二内嵌体23的形状相同，但第一内嵌体22的材质以及质量与第二内嵌体23材质以及质量均不同，主芯24以及副芯25均可固定放置第一内嵌体22以及第二内嵌体23；
34.当需要进行质量因素对转动惯量的影响的实验时，主芯24放置第二内嵌体23，副芯25放置第一内嵌体22，当需要进行质量分布对转动惯量的影响的实验时，主芯24放置第一内嵌体22，副芯25放置第二内嵌体23；
35.实验开始前，圆柱形演示器通过弹簧挡板15在滚动轨道12上保持静止，实验开始时，按下计时器开始按钮17时，弹簧挡板15弹开，同时圆柱形演示器开始沿滚动轨道12滚落，计时器16开始计时，当圆柱形演示器滚落至计时器停止按钮18处时，圆柱形演示器的冲击力按下计时器停止按钮18，计时器16结束计时，并显示滚动时间。
36.在一些实施例中，演示器主体21以及第一内嵌体22为木质材料，第二内嵌体23为钢质材料，第一轨道挡板13以及第二轨道挡板14均为亚克力材质，滚动轨道12为木质材料；弹簧挡板15为金属材质；制动挡板19为木质材料，这些原材料价格低廉，强度高且易加工成所需形状，利于进一步地降低生产成本，经济性好，并且第一轨道挡板13以及第二轨道挡板14采用透明的亚克力材质，便于实验者观察滚动的圆柱形演示器2。
37.在一些实施例中，弹簧挡板15设置在距离滚动轨道12顶部10cm处，在滚动轨道12顶部预留足够放置圆柱形演示器2的位置。
38.在一些实施例中，制动挡板19包括挡板以及弹簧底座，弹簧底座安装在滚动轨道12下方，且弹簧底座与计时器16及计时器开始按钮17安装在同一侧，此时，第一轨道挡板13在对应位置应留出空隙便于组装。具体地，计时器开始按钮17与弹簧底座连接，当计时器开始按钮17被按下时，通过弹簧底座弹开挡板，此时被挡板卡住的圆柱形演示器2将沿着滚动轨道12向下滚落。
39.在一些实施例中，滚动轨道12与水平面的夹角不小于20
°
且不大于35
°
，一般地，滚动轨道12与水平面的夹角为30
°
，在实际应用中该滚动轨道12的角度可调整，调整的上限位35
°
，下限为6
°
，但考虑到演示仪的实用性和美观性，夹角设置一般不小于20
°
。
40.在一些实施例中，滚动轨道12的长度为1m，材质为木质。
41.需要说明的是，第一内嵌体22有2个，在进行一般的测试时，主芯24和副芯25均内嵌该第一内嵌体22。
42.可见，本技术提供的转动惯量演示仪的组成部分结构简单，且易于制作，所用材料环保耐用。同时，该演示仪不仅能自动计时，排除主观误差，提高实验的精确度，而且能演示质量不同的圆柱体在斜面中的滚动快慢，以及演示质量分布不同的圆柱体在斜面中的滚动快慢，结构简单、操作简便、省时省力且其演示现象直观、生动，适于在各高校物理教学中广泛应用。
43.以上对本技术实施例所提供的一种转动惯量演示仪进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施例进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本技术的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。