驗(yàn)證角動(dòng)量守恒定律的一演示實(shí)驗(yàn)方法

劉世明

（濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濮陽(yáng) 457000）

1 引言

角動(dòng)量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，在技術(shù)上也有著重要的應(yīng)用.在物理教學(xué)中，對(duì)角動(dòng)量守恒內(nèi)容的教學(xué)，傳統(tǒng)的方法是使用茹科夫斯基轉(zhuǎn)椅并配以2個(gè)啞鈴和1個(gè)較為笨重的自行車車輪，由2人配合操作得以完成；二是以芭蕾舞演員、花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員、跳水運(yùn)動(dòng)員為例定性介紹角動(dòng)量守恒定律及其應(yīng)用，［1］以幫助學(xué)生理解和掌握這個(gè)規(guī)律.本文介紹的演示實(shí)驗(yàn)?zāi)苎菔巨D(zhuǎn)動(dòng)慣量中質(zhì)量變化及轉(zhuǎn)矩的變化對(duì)角速度的影響，演示內(nèi)容全面，現(xiàn)象清晰，有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)角動(dòng)量守恒定律的理解.

2 原理

由系統(tǒng)的角動(dòng)量守恒定律［2］知：當(dāng)系統(tǒng)繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)所受外力矩為0時(shí)，對(duì)該轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω的乘積為一不變的量，即Iω＝常量，其中I＝它的大小取決于轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中每個(gè)物體的質(zhì)量與這一物體到轉(zhuǎn)軸的距離的平方乘積的總和.系統(tǒng)繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)所受外力矩為0時(shí)，mi、ri發(fā)生變化，ω隨之發(fā)生變化.

3 演示裝置結(jié)構(gòu)

支座與支架采用木質(zhì)材料，膠管用醫(yī)用膠管制成；傳導(dǎo)輪與支撐輪選用鋁質(zhì)材料做成；U型金屬槽選用鋁合金材；伸縮桿選用舊電視機(jī)天線改制而成；無(wú)底瓶用礦泉水瓶去底加工而成.

圖1

整個(gè)裝置可繞豎直轉(zhuǎn)軸在水平面內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，兩支撐輪（12）可繞自身軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸兩端各連接兩無(wú)底瓶并可在U型金屬槽中水平移動(dòng)，同時(shí)又可隨整個(gè)裝置繞豎直轉(zhuǎn)軸在水平面內(nèi)自由旋轉(zhuǎn).為了提高轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性和演示效果，轉(zhuǎn)動(dòng)軸均裝上軸承（5）、（9）、（16）以減小摩擦.示意圖如圖1所示.

4 工作過(guò)程

設(shè)每瓶裝滿水的質(zhì)量為m0，瓶到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的初始距離為r0.

4.1 轉(zhuǎn)距r的變化與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω關(guān)系的演示

先向4只瓶?jī)?nèi)注水，由于瓶?jī)?nèi)有玻璃管，只能注水至與玻璃管管口平，其水質(zhì)量約為.使整個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)（轉(zhuǎn)速約為1r／s），用手捏緊伸縮桿上端軸承（16）的外邊緣，并迅速向上提起.這時(shí)在拉繩（10）的牽引下，4只瓶子迅速向轉(zhuǎn)軸靠攏，縮短至離轉(zhuǎn)軸距離約.由于轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 減小，可觀察到角速度ω明顯增大；松手后，在橡皮筋恢復(fù)力作用下瓶子恢復(fù)到原位置，角速度ω減?。é乜稍?～4r／s間變化）.

4.2 質(zhì)量的變化與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度關(guān)系的演示

用小木塞堵住金屬管（6）的下出水口，并向瓶?jī)?nèi)注滿水.松開木塞，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)（轉(zhuǎn)速約1r／s），隨著水連續(xù)流失，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量連續(xù)變小，可觀察到轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω逐漸變大（最后轉(zhuǎn)速可達(dá)約2r／s）.

注意事項(xiàng)：制作過(guò)程軸承（5）、（16）加潤(rùn)滑油，U型槽做到盡量光滑以減少摩擦.

5 結(jié)語(yǔ)

我們?cè)趯?shí)踐教學(xué)中，根據(jù)教學(xué)需要，擬定了一些制作素材，并對(duì)這些素材進(jìn)行可行性評(píng)估后，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新思路完成制作相應(yīng)的演示裝置，已經(jīng)成為完善和發(fā)展演示實(shí)驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)教學(xué)的重要組成部分.此舉一方面充實(shí)完善了實(shí)踐教學(xué)，另一重要方面也培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力.

1 陳熙謀.物理演示實(shí)驗(yàn)［M］.北京：高等教育出版社，2001：22-23.

2 潘人培等.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)參考書［M］.北京：高等教育出版社，1990：57-59.