陀螺儀(gyroscope)的原理就是,一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時,是不會改變的。
結(jié)構(gòu)
從力學(xué)的觀點近似的分析陀螺的運動時,可以把它看成是一個剛體,剛體上有一個萬向支點,而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉(zhuǎn)動,所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉(zhuǎn)動運動。更確切地說,一個繞對稱軸旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上,使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動的自由度,這種裝置的總體叫做陀螺儀,
特性
陀螺儀被用在飛機飛行儀表的心臟,是由于它的兩個基本特性:一為定軸性(inertia or rigidity),另一是逆動性(precession),這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。
1、定軸性
當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以度旋轉(zhuǎn)時,就產(chǎn)生了慣性,這慣性使得陀螺轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸保持在空間,指向一個固定的方向,同時任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量,這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或慣性。其慣性隨以下的物理量而改變:
2、逆動性
在運轉(zhuǎn)中的陀螺儀,如果外界施一作用或力矩在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸上,則旋轉(zhuǎn)軸并不沿施力方向運動,而是順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)向前90度垂直施力方向運動,此現(xiàn)象即是逆動性。
實驗原理
繞旋轉(zhuǎn)對稱軸以很大的角速度轉(zhuǎn)動的剛體就是陀螺。如果沒有外力矩的作用,陀螺轉(zhuǎn)動軸的方向(角動量方向)將保持不變,稱為定軸性。轉(zhuǎn)動的陀螺若受到外力矩(如重力力矩)的作用時,它并不是立即傾倒,而是使其轉(zhuǎn)動軸繞著某一固定軸緩緩轉(zhuǎn)動,即角動量在外力矩的作用下進動。
由于摩擦力、空氣阻力等因素的存在,陀螺繞對稱軸轉(zhuǎn)動的角速度將逐漸變小,后傾倒下來。
實驗儀器
1. 電機驅(qū)動,演示陀羅的原理,兩環(huán)三自由度,演示定向特性,附電機電源。
2. 儀器尺寸:230*230*230mm
3. 重量:2.6Kg
4. 電源220V/50Hz
5. 鋁合金材質(zhì),電機安裝在陀螺儀里面。
實驗步驟
演示角動量守恒
如圖所示放置儀器,儀器周轉(zhuǎn)保留空間。
1、接通陀螺儀上電機電源接線。
2、接通電機電源,緩幔調(diào)節(jié)電源輸出電壓,可見陀螺開始平穩(wěn)轉(zhuǎn)動,無異常振動雜音。
3、調(diào)電壓至值,約12V;待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,即可觀察陀螺轉(zhuǎn)動特性。
4、當(dāng)陀螺旋轉(zhuǎn)起來時,將陀螺拿起,觀察陀螺轉(zhuǎn)軸的角度變化。
5、然后拿陀螺儀外框轉(zhuǎn)動,可觀察到陀螺轉(zhuǎn)軸的角度不變?!?