验证角动量守恒定律的一演示实验方法

刘世明

（濮阳职业技术学院，河南 濮阳 457000）

1 引言

角动量守恒定律是自然界的普遍规律，在技术上也有着重要的应用.在物理教学中，对角动量守恒内容的教学，传统的方法是使用茹科夫斯基转椅并配以2个哑铃和1个较为笨重的自行车车轮，由2人配合操作得以完成；二是以芭蕾舞演员、花样滑冰运动员、跳水运动员为例定性介绍角动量守恒定律及其应用，［1］以帮助学生理解和掌握这个规律.本文介绍的演示实验能演示转动惯量中质量变化及转矩的变化对角速度的影响，演示内容全面，现象清晰，有助于加强学生对角动量守恒定律的理解.

2 原理

由系统的角动量守恒定律［2］知：当系统绕固定轴转动所受外力矩为0时，对该转动轴的转动惯量I与转动角速度ω的乘积为一不变的量，即Iω＝常量，其中I＝它的大小取决于转动系统中每个物体的质量与这一物体到转轴的距离的平方乘积的总和.系统绕固定轴转动所受外力矩为0时，mi、ri发生变化，ω随之发生变化.

3 演示装置结构

支座与支架采用木质材料，胶管用医用胶管制成；传导轮与支撑轮选用铝质材料做成；U型金属槽选用铝合金材；伸缩杆选用旧电视机天线改制而成；无底瓶用矿泉水瓶去底加工而成.

图1

整个装置可绕竖直转轴在水平面内自由旋转，两支撑轮（12）可绕自身轴转动，轴两端各连接两无底瓶并可在U型金属槽中水平移动，同时又可随整个装置绕竖直转轴在水平面内自由旋转.为了提高转动时的稳定性和演示效果，转动轴均装上轴承（5）、（9）、（16）以减小摩擦.示意图如图1所示.

4 工作过程

设每瓶装满水的质量为m0，瓶到转动轴的初始距离为r0.

4.1 转距r的变化与转动角速度ω关系的演示

先向4只瓶内注水，由于瓶内有玻璃管，只能注水至与玻璃管管口平，其水质量约为.使整个系统转动起来（转速约为1r／s），用手捏紧伸缩杆上端轴承（16）的外边缘，并迅速向上提起.这时在拉绳（10）的牵引下，4只瓶子迅速向转轴靠拢，缩短至离转轴距离约.由于转动部分转动惯量 减小，可观察到角速度ω明显增大；松手后，在橡皮筋恢复力作用下瓶子恢复到原位置，角速度ω减小（ω可在1～4r／s间变化）.

4.2 质量的变化与转动角速度关系的演示

用小木塞堵住金属管（6）的下出水口，并向瓶内注满水.松开木塞，使系统转动（转速约1r／s），随着水连续流失，转动惯量连续变小，可观察到转动角速度ω逐渐变大（最后转速可达约2r／s）.

注意事项：制作过程轴承（5）、（16）加润滑油，U型槽做到尽量光滑以减少摩擦.

5 结语

我们在实践教学中，根据教学需要，拟定了一些制作素材，并对这些素材进行可行性评估后，鼓励学生创新思路完成制作相应的演示装置，已经成为完善和发展演示实验及实训教学的重要组成部分.此举一方面充实完善了实践教学，另一重要方面也培养了学生的实践能力.

1 陈熙谋.物理演示实验［M］.北京：高等教育出版社，2001：22-23.

2 潘人培等.物理实验教学参考书［M］.北京：高等教育出版社，1990：57-59.