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演示单元

角动量守恒转台

一、实验目的

验证角动量守恒定律。观察在系统总角动量守恒的前提下,通过内力使构成该系统的各物体的角动量发生变化。

二、背景知识

动量守恒定律和能量守恒定律以及角动量守恒定律一起成为现代物理学中的三大基本守恒定律。最初它们是牛顿定律的推论, 但后来发现它们的适用范围远远广于牛顿定律,是比牛顿定律更基础的物理规律, 是时空性质的反映。其中,动量守恒定律由空间平移不变性推出,能量守恒定律由时间平移不变性推出,而角动量守恒定律则由空间的旋转对称性推出。

角动量守恒是微观物理学中的重要基本规律。在基本粒子衰变、碰撞和转变过程中都遵守反映自然界普遍规律的守恒定律,也包括角动量守恒定律。W.泡利于1931年根据守恒定律推测自由中子衰变时有反中微子产生,1956年后为实验所证实。

三、实验原理

系统不受外力或者所受合外力为零时,系统的动量守恒。系统在动量守恒的情况下,可以通过内力作用使该系统的各个部分的动量发生变化,如碰撞、爆炸、反冲等现象。同样,如果系统所受到的对转轴的合外力矩为零,则系统对该转轴的总角动量守恒。就是说在总角动量守恒的前提下,可以通过内力作用使构成该系统的各物体的角动量发生变化,即各物体的角速度发生变化。

实验者手持车轮站在转台上时,如果忽略转轴的摩擦,人、车轮和转台构成的系统不受对中心转轴的外力矩作用,系统对中心转轴的角动量守恒。开始时系统静止,角动量为零。通过内力让车轮转起来,使车轮产生了对转轴的角动量,从而人与转台必须向反方向转动,使其产生对转轴的反方向角动量,以保持该系统的总角动量仍然为零。

四、实验操作及现象

1.实验者竖直拿着车轮站上转台;

2.实验者转动车轮给予车轮一定的转动速度;

3.实验者将旋转中的车轮逐渐水平放置时,观察到人与转台向着与车轮旋转的相反方向转动;

4.再将车轮往另一方向水平放置,人与转台也随之改变旋转方向,证明了整个系统的角动量守恒。

五、注意事项

1.站在转台上注意平衡,不要摔倒;

2.实验者站到转台上,尽量处于转台中心使身体的中心过转轴,以免转轴倾斜增加摩擦;

3.车轮的转速越快现象越明显,操作者体重越轻,现象越明显。




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