[发明专利]一种演示旋转刚体的几个基本内容的装置与方法

说明书

一种演示旋转刚体的几个基本内容的装置与方法，主要包括摄像机、白色卵石，等距螺旋线和白纸等，其特征是：卵石为白色卵石，在卵石表面上点阵式等间距涂上黑色小方斑，围绕卵石长轴在卵石的表面上画出红色等距螺旋线，在卵石的曲率半径大的一端顶部区域涂上蓝色印泥，白纸粘贴在水平桌面上。演示时，将摄像机镜头朝向白纸上的卵石录像，将卵石长轴水平放置在白纸上，双手驱动卵石绕竖直轴高速旋转，在白纸上留下印泥的轨迹，也就是章动与进动规律，看到绕长轴的螺旋线沿长轴方向运动等现象，制作简易，效果明显，在教学中应用会增加更多的教育功能，也可以推广到科教创新领域。

技术领域

本专利涉及演示一种旋转刚体的几个基本内容的演示装置与方法，属于物理实验仪器领域。

背景技术

刚体定点运动是刚体力学的重点内容，对于刚体质心的平动与绕质心转动使定点运动进一步拓展为一般运动，以往定点运动的进动、章动的轨迹演示难于实现，也缺少对刚体对称轴的角速度、角动量变化规律演示装置，发明人给出了一种力矩突变时的角动量变化规律的演示与分析，总之，由于刚体的进动章动（轨迹）演示技术的难度较大，现有技术缺少对于刚体的进动、章动演示，也缺少刚体角动量由绕短轴改变为绕长轴的演示实验及角速度的右手法则关系的直观演示，本专利就要解决这一问题。本专利是在国家自然基金项目（项目号：11405092）、黑龙江省省属高等学校基本业务费科研项目（项目号：135209251）及黑龙江省高等学校教改与应用项目（项目号：SJGY20170385）的支持下完成的。

参考文献：

梁法库、路峻岭. 可倒陀螺的机理与制作《物理实验》2002年第3期

梁法库 等. 一种翻转陀螺 中国专利，专利号2011204168963 授权日2012.07.11

梁法库 等. 力矩突变时的角动量变化规律的演示与分析《大学物理》 2004年02期。

发明内容

本专利是解决旋转刚体的几个基本内容的演示问题，着重解决一种卵形体情形的刚体的进动、章动及绕轴角动量（角速度）变化规律演示的技术与方法。

本专利技术方案：一种演示旋转刚体的几个基本内容的装置与方法，主要包括摄像机、白色卵石，方斑，等距螺旋线，顶部区域和白纸等，其特征是：卵石（形状是卵形，接近椭球体，材料为石材，或者用白皮新鲜煮熟的鸡蛋、鹅蛋代替）为白色卵石，在卵石表面上点阵式等间距涂上黑色小方斑，围绕卵石长轴在卵石的表面上画出红色等距螺旋线（沿卵石长轴的轴向方向等间距），在卵石的曲率半径大的一端顶部区域涂上蓝色印泥（或者用记号笔涂抹顶部区域），白纸粘贴在水平桌面上。

演示时，将摄像机镜头朝向白纸上的卵石录像，将卵石长轴水平放置在白纸上，双手驱动卵石绕竖直轴高速旋转，（1）（观察者会看到）卵石在旋转过程渐渐竖起，曲率半径大的一端接触白纸，最后卵石竖直立起整体绕长轴旋转、或绕竖直轴旋转；（2）在卵石从开始启动到竖起过程中，观察到水平黑色环（刚体卵石总角动量方向没有改变，绕竖直轴旋转形成的视觉现象），当在卵石渐渐竖起其长轴快接近竖直轴时，可以看到绕卵石长轴的螺旋线沿着长轴方向运动（移动），这是绕着长轴角速度方向（我们设计的等距螺旋线就是按照右手螺旋法则设计的）；（3）当在卵石竖起过程其长轴快接近竖直轴时，可以看到在白纸上留下印泥的轨迹，这个轨迹就是反映卵石的进动与章动轨迹的图像。

演示时，通过录像记录，可以满足演示现场学生没有看清楚，教师在大屏幕上播放，根据需要调节录像的播放速度，效果更好。

简要分析：从理论上，卵石在绕竖直轴旋转过程中，考虑每一周摩擦力大小μmg不变与 对质心半径r也不变，在地面参考系中卵石旋转一周桌面给的摩擦力的冲力矩∫r×μmgdt＝0，也 就是角动量没有改变。

其角动量方向没有改变，根据视觉暂留效应就会看到卵石表面等间距（点阵式）涂上黑色小方斑构成的一组平行环；