对陀螺进动中一个奇异现象的分析

 陀螺进动是验证角动量定理的典型演示实验.在大学物理课的教学中,结合教学内容,让学生观察和分析陀螺进动现象,就会使物理教学生动、直观、有趣,收到良好的教学效果.     

失重陀螺的升力来源

中央电视台10频道《科学与教育》栏目曾播放过飞机的旋转陀螺在突然失重时飞起来的情景,但节目中只让观众从“飞起来、转得更快、转得更慢”三个答案中选择,并未提及陀螺飞起来的原因。很多观众人都会迷惑,陀螺飞起来的力量到底从何而来,下面就从两个方面定性分析。科氏力与重力的失衡是主要原因实验陀螺是对称性精度不高的普通玩具陀螺,所以旋转时即使看起来是正立的,也无明显进动现象。但由于总存在质心对自转轴一定程度的偏离,因此对支点的重力矩不为零,陀螺在这一外力矩作用下必然发生进动,以使其不向下倾倒。使用家用洗衣机等一些转动…     

基于解析结果的拉格朗日陀螺运动特性分析

本文建立拉格朗日陀螺运动方程的解析方法.导出拉格朗日陀螺做规则进动的条件,用级数展开技术得到规则进动附近的小角度章动和进动的解析解.给出陀螺自转轴运动的简明图像,即重力引起绕竖直轴的规则进动和无重力的自由进动的叠加.利用解析结果对陀螺不倒之谜给出解释.     

测定陀螺进动角速度的实验方法

陀螺是一种回转仪，它能显示出回转效应.回转仪的回转效应在科学上和技术上有广泛应用，例如，炮膛内部刻有螺旋式来复线，使射出的炮弹绕几何轴作高速旋转，成为回转仪等等.在微观世界中，具有自旋的电子、原子核和其他基本粒子放在磁场中，受到磁场的力矩也将和陀螺一样，产生进动.这一切都说明进动的重要，对进动角速度的测量，能进一步加深对进动的理解.一、测量原理陀螺可以以很高的转速绕它的自转轴旋转.当它的自转轴和铅直方向偏离时，陀螺受它本身的重力矩的作用，其自转轴绕铅直轴进动而不倒下，这就是陀螺的回转效应.图1是一精制…     

扭转陀螺的运动研究

运用欧拉动力学方程分析了扭转陀螺的力学特性,从理论上预测了陀螺释放后250s内的运动情况,实验研究了陀螺的定轴性和进动性对陀螺运动的影响.实验结果表明:在初始扭转力矩变大时,进动角与章动角的角速度与角度峰值都会变大,但变化周期几乎不变.     

超声悬浮过程中圆柱体的旋转运动机理研究

研究了圆柱体在超声悬浮过程中的旋转运动机理.实验发现:悬浮圆柱体的密度和长径比越小,转动惯量越小,其稳态旋转的转速越大;反射端在水平方向的偏移会产生回复力矩,使圆柱体停止旋转,且圆柱体静止时的轴线方向与反射端偏移方向垂直;在圆柱体两端加入适当的外界干扰可以主动抑制其旋转.计算表明,悬浮圆柱体的旋转起源于其质心偏移产生的力矩,而反射端位置的偏移以及发射端的倾斜均会抑制圆柱体的旋转.     

陀螺进动特性的研究

本文基于陀螺进动原理,推导出陀螺进动时的角速度和自转角速度关系式,结合电磁感应原理和光敏电阻特性制作了陀螺实验装置,同时精确测出陀螺的公转周期与自转周期,进一步计算了陀螺的转动惯量,并用平行轴定理所得的计算结果验证了此装置的理论方法与测量结果的正确性.     

扭转陀螺运动系统的研究

研究了扭转陀螺系统的角动量以及系统所受外力矩,分析了陀螺在运动中出现的进动、章动等现象.当陀螺存在一定偏心差时,陀螺会进行参变共振、受迫共振.     

陀螺进动中的“角动量不守恒”问题

一些力学教科书中对回转效应的讲解就是直接利用重力力矩导致陀螺角动量变化得到均匀进动角速度,但是这会导致竖直方向出现进动角动量而无法解释的问题,即看似角动量不守恒。本文从基本的力学原理出发,分析了陀螺水平释放后从开始到稳定过程中的进动和章动,并对结果进行了数值模拟,证明忽略进动阻尼时稳定进动角动量与陀螺下倾导致的自转角动量竖直分量大小相等、方向相反,保证了系统竖直方向角动量恒为零。     

翻转陀螺的动力学方程及其守恒量

正引言在理论力学的教学中,老师通常以陀螺为例介绍刚体运动的一些特殊性质,例如进动、章动、网球拍效应等。在普通物理实验中,老师有时也会使用一种称为翻转陀螺的小玩具来向同学们展示陀螺运动的奇异行为。在重力和摩擦力的作用下,转动的翻转陀螺会整个翻转180度。虽然翻转陀螺是一个不可积系统,但我们仍然能利用运动方程定性讨论其运动情况。     

倍频激光器中KTP晶体失调研究

针对目前常用的KTP晶体,研究其倾斜失调和旋转失调对倍频激光器转换效率的影响。基于主轴坐标系变换,建立KTP晶体倾斜失调理论模型,对倾斜失调和旋转失调时激光非线性频率变换过程进行理论分析并设计实验验证。结果表明,倾斜失调时,转换效率会随着倾斜失调方向的变化出现2个大小不同的窄峰值,且倾斜角度越大,两峰值所在方向夹角越小,其余方向转换效率为零,与理论计算一致;对于旋转失调,Ⅰ和Ⅱ类相位匹配转换效率随失调角度分别呈和/2周期变化。该结果可用于倍频激光器设计。     

基于PNK理论的颗粒群Boycott效应研究

科学家Boycott发现草酸化或去纤维化血球沉降在倾斜容器中比在垂直容器中更快,这就是所谓的Boycott效应.本文衍生探究不溶固体颗粒在装有蒸馏水倾斜容器中的沉降是否也会产生Boycott效应以及相关参数影响.利用PNK理论推导出颗粒沉降速率关系式,研究其中影响体系的3个变量,分别为竖直沉降速率、容器底部直径、容器倾斜角度.同时,通过实验探究改变单一变量对沉降速率的影响,与理论计算结果基本吻合.结果表明,不溶固体颗粒也会产生Boycott效应;随着容器倾斜角度增大,颗粒在其中沉降速率先加快后减慢;随着容器底部直径增大,沉降速率与之正相关;随着颗粒垂直沉降速率增大,倾斜沉降速率也与之呈正相关.     

关于升华和凝华实验的改进

笔者认为教材中关于升华和凝华的实验存在一些问题和弊端 ,对此实验做了以下改进 .取医用小药瓶 ,将其端部破一小孔 ,将药液倒出(或用注射器吸出 ) .将瓶洗干净 ,待内部干燥后 ,放入一小粒碘 .用木夹夹住小瓶 ,在酒精灯上加热小瓶底部 ,使碘升华 .当药瓶为紫红色时 ,立即加热瓶口 ,当瓶口烧红软化后 ,用铁镊子快速将瓶口封严 .用同样方法制造出 2 0～ 30个这样的升华瓶 ,供学生分组实验时使用 .改进后的实验有以下优点 :1 )可获得直观的升华和凝华现象 ,加热时瓶是紫色的 ,停止加热 ,过几十秒后瓶是白色的 .2 )将小药瓶放在手中握一会 ,瓶子…     

“能量穿梭机”实验中的类星体运动

通过理论分析建立动力学方程,用四阶Runge-Kutta进行求解,研究了"能量穿梭机"实验仪中的类星体运动.不考虑阻力时,小球会进动并且进动角随圆锥面倾斜角的增大而减小,当倾斜角约为55.6°时,进动消失,小球做类似星体的椭圆运动.考虑阻力时,由于能量损失小球的运动不再有周期性,这与小球在圆锥面上的真实运动相符.     

即时速度和匀加速运动的演示实验的改进

在高一物理课本第二章的教材中,即时速度既是难点又是重点,做好即时速度的演示实验是使学生正确理解这一概念的关键。但是,现行的高一物理课本图29的演示实验存在着如下的问题: 1.用小车在平面上匀速运动的速度来测量小车通过斜面末端的即时速度,会使学生对刚建立起来的速度是矢量的概念又引起怀疑; 2.教师很难向刚进高中的学生说明小车通过斜面末端时的复杂运动情况,因而带来了教学上的困难;     

大型组合式演示回转仪

常州奔牛实验仪器厂生产的大型组合式演示回转仪,是由衡体回转仪,轴式回转仪,茹可夫斯基凳组合而成,如实验照(二)所示,它的特点是大型、直观,能见度好,演示效果明显,根据实验内容的不同要求,可以简便拆换.由于三角支架上装有滚轮,因而运行方便.是中等专业学校,大专院校物理教学演示回转体(陀螺)运动规律的教具.它能有效地演示陀螺的定向,进动,章动,以及动量矩守恒实验.也能半定量地演示理论力学中陀螺的细致运动规律.一、回转仪的结构 仪器利用26英寸自行车轮作为回转仪的惯性轮(7)与球轴(8),平衡杆(10),平衡陀(1),细调平衡陀(4),轴承(9),三…     

干涉光路装配应力对称性对Shupe误差的影响

Shupe误差是影响高精度光纤陀螺工程应用的主要技术瓶颈之一,针对高精度光纤陀螺装配封装后温度性能劣化的问题,对光纤陀螺光路进行了温度误差分析,揭示了干涉光路装配应力对Shupe误差的影响机理,并对不同状态下装配应力引入的温度误差进行了测试,选取初装全温零偏极差均为0.11(°)/h的3只光纤陀螺,并以粘接光纤环和Y波导尾纤的方式控制装配应力对称性,当尾纤粘接长度为30 cm时,2只装配应力对称性较差的光纤陀螺全温零偏极差变为0.24(°)/h和0.43(°)/h,温度性能出现明显劣化,装配应力对称性较好的光纤陀螺全温零偏极差为0.13(°)/h,温度性能未出现明显劣化.实验结果表明,干涉光路装配应力不对称会引起光纤陀螺温度性能出现明显劣化,且劣化程度与装配应力对称性直接相关,装配应力对称性越好,温度性能劣化越小.     

涡旋中的涡旋

二维涡旋是一种常见的现象 ,例如在海面上 ,在盆中搅动着的水面上或大气中都可观察到转动着的涡旋 .最近 ,美国科学家在数值计算中发现 ,在二维转动着的盘形涡旋中 ,如有一个快速旋转且其旋转方向与盘形涡旋转动方向相同的小的点涡旋时 ,就会出现一种在自然界尚未认识到的新的二维涡旋现象 .最近对这种二维涡旋的动力学行为进行了实验研究 .他们用了一个由磁场约束住的电子柱 .这个电子柱在电磁力Ｅ×Ｂ的作用下进行转动 ,其转动着的端面等效于一个二维转动的盘形涡旋 .他们观察到 ,在这个盘形涡旋中的一个旋转着的小的点涡旋 ,能使盘形涡旋…     

冰冻地球的进动与章动

基于贾尼别科夫效应网上流传的一些观点认为,当地球南北两极的海冰增加或者减少将导致地球重量分布不平衡,地球将会发生翻转.本文基于简单的刚体地球模型,首先计算了地球南北纬度结冰时导致的地球总转动惯量变化,并利用欧拉动力学方程分析转动惯量变化引起的地球的进动与章动.研究指出,不论是不受外力作用的潘索情况还是考虑了潮汐力的情况,地球在南北纬度30°结冰的情况下旋转最不稳定.此外,即使地球表面冰冻到深度33公里,贾尼别科夫效应也不会在地球上发生.通过本文简单的计算终结了网络流言,并且有利于人们对地球进动和章动的理解.     

物体惯性演示实验的改进

初中物理上册第54节关于惯性的演示实验,按课本所指示是“把一个木块直立在小车上,让小车沿着斜面向下运动(图88),当小车遇到障碍物突然停止的时候,车上的木块就向前倒下(图89)”。这个实验还不能彻底说明物体的惯性。因为学生认为,小车沿着斜面向下运动时,直立在小车上的木块已经向前倾斜,当小车遇到障碍物突然停止时,车上的木块已经向前倾斜,必然会向前倒下。他们怀疑如果小车沿着水平方向或沿着斜面向上运动,当小