[发明专利]一种滚摆实验装置

说明书

本发明公开了一种滚摆实验装置，涉及用于物理教学的滚摆实验技术领域。该装置包括：支架、滚摆和两条摆线；滚摆通过两条摆线悬挂在支架上；滚摆包括：主体框架、角速度测量机构和两个绕线轮；主体框架为对称结构；角速度测量机构固定在主体框架的内部或表面；两个绕线轮对称固定在主体框架的左右两侧；两条摆线对称设置，且与两个绕线轮一一对应；一条摆线的一端固定在支架的左侧，另一条摆线的一端固定在支架的右侧，两条摆线的另一端均固定在对应的绕线轮上；两个绕线轮的轴线在同一条直线上，且均经过滚摆的重心；角速度测量机构用于测量并输出滚摆的角速度随时间的变化数据。本发明能够定量验证机械能守恒定律，实验现象直观明了。

技术领域

本发明涉及用于物理教学的滚摆实验技术领域，特别是涉及一种滚摆实验装置。

背景技术

传统的滚摆是一种用于演示动能和势能相互转化的实验装置，该实验装置简单、精巧，实验过程直观。在物理教学中，通过滚摆实验可以很好地演示势能与动能之间的相互转化，使学生更加深刻的理解机械能守恒定律。但是，由于滚摆的运动同时存在平动和转动两种运动，传统的方法很难定量测定其动能的变化。因此，传统的滚摆实验通常只用于中学物理中的演示实验，只能作定性分析，不适合定量验证机械能守恒定律，也不能测量刚体的转动惯量。

已有的文献(如：周艳丽,王扬威,王超,陈英才.滚摆运动的研究[J].物理实验,2013,33(09):34-36+40.)中，只能通过分析滚摆最大高度和滚动时间随摆动次数的变化，揭示空气阻力及摆线间摩擦力等因素对滚摆运动的影响及其引起的系统机械能损失。

常见的测量刚体转动惯量的实验装置有刚体转动实验仪、三线摆等。刚体转动实验仪通常采用光电门测量测动一圈(或半圈)的时间，从而计算转动速度，实验时计算出不同力矩情况下的角加速度，从而测出刚体的转动惯量，但其在实验过程中不能测出转速的实时变化。三线摆也是利用计时器测量出摆的周期来计算刚体的转动惯量。

综上所述，现有技术存在以下缺点：

1、传统的滚摆实验装置不能实时测量出滚摆的转动角速度，因此无法定量验证“滚摆在下落过程中，势能的减少量等于动能的增加量，而在上升过程中势能的增加量等于动能减少量”。

2、传统的刚体转动实验仪或三线摆实验装置，只能测量刚体的转动惯量，验证定轴转动定理和平行轴定理，不能验证机械能守恒定律。

发明内容

本发明的目的是提供一种滚摆实验装置，以定量验证机械能守恒定律。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种滚摆实验装置，所述装置包括：

支架、滚摆和两条摆线；所述滚摆通过两条所述摆线悬挂在所述支架上；

所述滚摆包括：主体框架、角速度测量机构和两个绕线轮；

所述主体框架为对称结构；所述角速度测量机构固定在所述主体框架的内部或表面；两个所述绕线轮对称固定在所述主体框架的左右两侧；两条所述摆线对称设置，且与两个所述绕线轮一一对应；一条所述摆线的一端固定在所述支架的左侧，另一条所述摆线的一端固定在所述支架的右侧，两条所述摆线的另一端均固定在对应的所述绕线轮上；两个所述绕线轮的轴线在同一条直线上，且均经过所述滚摆的重心；

所述角速度测量机构用于测量并输出所述滚摆的角速度随时间的变化数据。

可选地，所述滚摆还包括：

两个绕线轴；

两个所述绕线轴对称固定在两个所述绕线轮的外侧，且两个所述绕线轴的轴线与两个所述绕线轮的轴线均在同一条直线上；两个所述绕线轴的外侧均开设有螺丝孔；所述螺丝孔用于安装待测样品；

所述角速度测量机构还用于测量并输出安装所述待测样品后的所述滚摆的角速度随时间的变化数据。