摘""要:角動量守恒定律是自然界中普遍適用的基本原理。但因角動量的概念較為抽象,學(xué)生對角動量守恒定律的學(xué)習(xí)與理解較為困難。為進(jìn)一步明晰該定律,設(shè)計了一種可用于定量驗證角動量守恒的便攜儀器裝置。該裝置通過改變物體質(zhì)量、物體到中心轉(zhuǎn)軸的距離等變量,定量探究轉(zhuǎn)動慣量的改變對角速度的影響,并驗證角動量守恒定律。
關(guān)鍵詞:角動量守恒"定量"便攜儀器"角速度
Instrumental"Design"and"Verification"of"Conservation"of"Angular"Momentum
LU"Jingtong"LIN"Xulan"CHEN"Yanping"ZHENG"Xuying"HONG"Jinquan*
College"of"Physics"and"Electronic"Information"Engineering,"Minjiang"University,"Fuzhou,"Fujian"Province,"350121"China
Abstract:"The"Law"of"Conservation"of"Angular"Momentum"is"a"fundamental"principle"that"is"universally"applicable"in"nature."However,"due"to"the"abstract"concept"of"angular"momentum,"it"is"difficult"for"students"to"learn"and"understand"the"Law"of"Conservation"of"Angular"Momentum."In"order"to"further"clarify"the"law,"this"paper"designs"a"portable"instrument"device"that"can"be"used"to"quantitatively"verify"the"Conservation"of"Angular"Momentum."By"changing"the"massnbsp;of"the"object"and"the"distance"from"the"object"to"the"central"axis,"the"device"can"quantitatively"investigate"the"effect"of"the"change"in"the"moment"of"inertia"on"the"angular"velocity"and"verify"the"Law"of"Conservation"of"Angular"Momentum.
Key"Words:"Conservation"of"Angular"Momentum;"Quantification;"Portable"instruments;"Angular"velocity
角動量守恒定律作為自然界普遍適用的基本原理,揭示了質(zhì)點與質(zhì)點系旋轉(zhuǎn)運動的守恒性,是大學(xué)物理課程中重要的物理定律[1]。然而,角動量守恒定律的理論深度和抽象性導(dǎo)致學(xué)生不易理解[2]。因此,若在課堂中采用演示裝置對其動態(tài)性與系統(tǒng)性進(jìn)行可視化展示,將顯著增強學(xué)生對該定律的直觀理解和感性認(rèn)識[3]。目前,用于展示守恒定律的教具,如手拉式伸縮演示儀、茹科夫斯基轉(zhuǎn)椅等演示器,裝置笨重,安全性低,且市面上又少有多變量定量分析演示角動量守恒的實驗裝置[4]。為改進(jìn)此不足,根據(jù)角動量守恒原理,設(shè)計并自制了一種用于定量驗證角動量守恒的新型實驗裝置。該裝置可靈活調(diào)整物體的質(zhì)量和物體到中心轉(zhuǎn)軸的距離,通過測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)動周期,以量化數(shù)據(jù)驗證在不同轉(zhuǎn)動慣量條件下角動量守恒,提升了實驗的精確性和可靠性[5]。本實驗裝置操作簡便,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)直觀,有助于學(xué)生知識內(nèi)化,并提升實驗的實操能力[6]。
1實驗原理
1.1相關(guān)物理概念
1.1.1"角動量
角動量是與物體旋轉(zhuǎn)運動相關(guān)的物理量,其度量了物體在旋轉(zhuǎn)時具有的動量。對于繞定軸旋轉(zhuǎn)的物體,角動量可以表示為
式(1)中:J為轉(zhuǎn)動慣量(依賴物體質(zhì)量分布和所選旋轉(zhuǎn)軸);ω為角速度。
1.1.2"角動量定理
描述物體角動量變化與其所受外力矩之間的關(guān)系。
其微分形式為
式(2)表示物體角動量的瞬時變化率等于作用在物體上的合外力矩。
1.1.3角動量守恒
當(dāng)不受外力矩時,物體的角動量將保持不變,稱為角動量守恒。本文主要探究在共軸非剛體系下的角動量守恒:在兩個物體繞同軸旋轉(zhuǎn)且系統(tǒng)受到合力外力矩矢量合為零時,系統(tǒng)的總角動量將保持不變。
1.1.4轉(zhuǎn)動慣量
物體的轉(zhuǎn)動慣量J,可以表示為
由式(3)可知,轉(zhuǎn)動慣量的大小,不僅取決于物體的總質(zhì)量,還與其質(zhì)量分布、轉(zhuǎn)軸位置等因素有關(guān)。
由角動量守恒定律可知:當(dāng)繞固定點或者固定軸轉(zhuǎn)動的物體滿足角動量守恒條件時,J、ω為常量。
1.2實驗裝置
本實驗裝置主要由轉(zhuǎn)動桿、轉(zhuǎn)承座、光電門、周期測定儀、重物、滑軌等組成,具體裝置整體示意圖如圖1所示。1轉(zhuǎn)動桿通過9轉(zhuǎn)承座可繞著10轉(zhuǎn)動軸作定軸轉(zhuǎn)動。為減小摩擦力的影響,在12上層板與中層板的中軸對稱位置植入轉(zhuǎn)承座。轉(zhuǎn)動桿旋轉(zhuǎn)動能來源于2重物對轉(zhuǎn)動桿的撞擊作用。實驗過程中,6周期測定儀記錄每次轉(zhuǎn)動桿通過5光電門的時間,從而計算出轉(zhuǎn)動桿的角速度。為確保轉(zhuǎn)動桿初始速度(初動能)相同,采用3激光筆配合4量尺精確標(biāo)定重物空間下落的起始位置。轉(zhuǎn)動桿下置8吊軌(位置可靈活調(diào)整),用于懸掛7物體,以此實現(xiàn)重物同轉(zhuǎn)動桿作定軸轉(zhuǎn)動。
1.3實驗計算原理
本實驗將采取改變轉(zhuǎn)動慣量的大小,即改變物體的質(zhì)量和對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量分布(距離),用系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動周期T來反映角速度ω的大小。
轉(zhuǎn)動慣量采用平行軸定理計算,公式為
式(4)中:Jc代表物體對于質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動慣量;m代表物體的質(zhì)量;d代表物體運動所繞的軸與質(zhì)心軸的垂直距離。
實驗中2個物體的轉(zhuǎn)動慣量為
由于木條也存在轉(zhuǎn)動慣量,因此,系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量為
由角動量守恒:(常量)""""""(7)
設(shè)系統(tǒng)繞定軸轉(zhuǎn)動的周期為T,將(8)
帶入式(7)可得:"""""""""""""(9)
在改變物體對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量分布(距離)實驗中:
在改變物體的質(zhì)量的實驗中:
式(10)、式(11)均為驗證角動量守恒定律的實驗公式。
2"實驗結(jié)果與分析
2.1測定不同轉(zhuǎn)動慣量下系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動周期
通過改變物體對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量分布與物體的質(zhì)量進(jìn)而改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量,測定了物體與系統(tǒng)中心轉(zhuǎn)軸的距離d分別為0.10"m與0.15"m下物體質(zhì)量m分別為96.45′"kg、193.05′"kg、238.46′"kg所對應(yīng)的轉(zhuǎn)動周期T,每個轉(zhuǎn)動慣量J分別測量3次,并計算得不同轉(zhuǎn)動慣量下系統(tǒng)的角速度ω與角動量L,實驗結(jié)果如表1所示。
從實驗結(jié)果,角速度與轉(zhuǎn)動慣量成負(fù)相關(guān)關(guān)系,即隨著轉(zhuǎn)動慣量的增加,系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動周期變大,角速度減??;反之,亦然。
2.2驗證角動量守恒定律與誤差分析
本研究理論上轉(zhuǎn)動慣量改變前后,系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動周期比應(yīng)等于對應(yīng)轉(zhuǎn)動慣量的比值,因此,繪制轉(zhuǎn)動周期之比曲線與轉(zhuǎn)動慣量之比曲線進(jìn)行比較,驗證系統(tǒng)角動量是否守恒,實驗結(jié)果如圖2所示。
由實驗結(jié)果可知,隨著轉(zhuǎn)動慣量之比的變化,實驗的相對誤差也隨之變化,但總體上實驗曲線接近理論曲線,在保證系統(tǒng)所受合外力矩為零的情況下,系統(tǒng)轉(zhuǎn)動滿足角動量守恒。
3結(jié)論
本研究通過自制既可用于課堂演示,又可定量測量的實驗儀器,驗證角動量守恒定律。通過改變物體到轉(zhuǎn)軸的距離d和砝碼的質(zhì)量m,研究系統(tǒng)變化前后的角動量,驗證定量角動量守恒定律。當(dāng)然,本實驗裝置旋轉(zhuǎn)時所受摩擦力矩也無法完全消除,今后可通過儀器改進(jìn),進(jìn)一步克服摩擦力的影響。
參考文獻(xiàn)