[发明专利]一种基于手动的涡电流陀螺参数与选定方法

说明书

一种基于手动的涡电流陀螺参数与选定方法，主要包括陀螺体和陀螺冒两部分，其特征是：陀螺体和陀螺冒均由直径相同铝柱加工成的，陀螺体为中空柱面且有陀螺锥形尖头，锥形尖头的锥形为等腰锥形；陀螺冒顶的中央有陀螺驱动柱，陀螺体与陀螺冒通过螺纹固定在一起，驱动柱的轴线与锥形尖头的轴线重合；给出制作涡电流陀螺满足的条件表达式，给出有效制作涡电流陀螺一种方法和成功参数，便于实际制作与演示。演示时，用手捏住陀螺驱动柱驱动陀螺在水平桌面上高速旋转，待绕竖直轴旋转稳定后，将磁体快速在竖直方向移向水平桌面且靠近陀螺，就会看到陀螺倾向磁体公转。

技术领域

本专利涉及制作涡电流陀螺的参数与选定方法，属于物理实验仪器领域。

背景技术

涡电流是大学物理课程的重点内容，是磁场在导体中激发出电流现象，课堂上涡电流现象通常用涡流管来演示，其特点是：柱状磁体或环状磁体在铜管中或套在铜管外竖直向下运动，观察相同形状大小的磁体和非磁体下落速度来检验涡流效应，常常因管壁摩擦影响了物体的下落等问题的出现，常常被学生质疑，而且它所展示的内容也单一，因此有必要从另一角度设计制作基于手动的、课堂课下便于操作的演示涡电流现象的装置或给出方法，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：11805107，11405092)、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

梁法库 等.对自旋磁陀螺反向倾斜和公转运动的讨论《物理实验》1997.6

发明内容

本专利是解决涡电流现象演示的装置与方法，着重解决在外磁场中一种手驱动的陀螺式涡电流力矩进动现象演示的装置具体参数数据与选定方法。

本专利技术方案：一种基于手动的涡电流陀螺参数与选定方法，主要包括陀螺体和陀螺冒两部分，其特征是：涡电流陀螺(以下简称为陀螺)是由非铁磁材料导体(铝柱或铜柱)加工成的空心陀螺，陀螺体和陀螺冒均由直径相同铝柱(或铜柱等非铁磁材料的导体)加工成的，陀螺体为中空柱面且有陀螺锥形尖头，锥形尖头的锥形为等腰锥形(也就是轴截面为等腰三角形)，陀螺尖头顶部(接触平面处)处理成球面；陀螺冒顶的中央有陀螺驱动柱，陀螺体与陀螺冒通过螺纹(陀螺体外螺纹与其相匹配陀螺冒的内螺纹)固定在一起，驱动柱的轴线过锥形尖头顶点(驱动柱的轴线与锥形尖头的轴线重合)。

理论分析，考虑到陀螺稳定性，制作的涡电流陀螺其角速度应满足稳定条件

其中：I₃和I分别为对驱动柱轴线和陀螺尖头顶部与水平桌面接触点的转动惯量，l为质心到陀螺尖头顶部的距离，θ为驱动柱轴线与竖直轴的夹角。

设a为质量m陀螺尖头顶部接触水平面的半径，μ为摩擦系数，I₃为绕自转轴(驱动柱轴线)转动惯量，由转动定理，有

由初始角速度ω₀减速到ω(经历时间t)仍处于稳定状态，有

ω-ω₀＝βt

联立上面两式，得出

也就是制作涡电流陀螺要满足条件