暋暋收稿日期椇棽棸棽棽棴棸棽棴棸棻
毛彦芳
棭暋暋摘暋要椇
视频文件加密角动量守恒定律是物理学的普遍定律之一棳反映质点和质点系围绕一点或一轴运动的普遍规律棳是暟宇宙三大守恒定律暠之一棳也是生活中非常常见的现象暎大到天体运行棳小到微观分子链棳人走路的摆臂动作都与之密切相关棳大部分人对此科学原理比较感兴趣暎因此棳结合内蒙古科技馆探索与体验展厅暟越转越快暠展品对角动量守恒的科普教育实践展开了探讨暎阻火带
关键词椇角动量椈角动量守恒椈科普教育椈实践研究
暋暋中图分类号椇斚棾棻棾棬棽棽椂棭暋暋文献标识码椇斄暋暋文章编号椇棻棸棸椃暘椂椆棽棻棬棽棸棽棽棭棸椄暘棸棸棽椆暘棸棾暋暋科学技术是第一生产力棳
人类的每一次产业革命都伴随着科学技术的飞跃暎科技创新暍科学普及是实现创新发展的两翼棳要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置暎没有全民科学素质普遍提高棳就难以建立起宏大的高素质创新大军棳难以实现科技成果快速转化暎科技馆作为科普教育的重要阵地棳承担着面向公众特别是青少年体普及和大力推广科学技术棳增强全民科学文化素质棳提升我国创新能力棳强化综合国力竞争的重要工作暎科学普及是培养公众特别是青少年对于科学技术的爱好和兴趣棳增强他们的实践能力以及创新精神棳是惠及后世暍造福当代的一项系统工程暎如何把晦涩难懂的科学原理通过生动有趣的表现形式让公众感兴趣暍易于接受是科普工作者应该深入思考的问题暎笔者将以角动量守恒原理为例棳研究科普教育的具体实践暎
棻暋角动量守恒定律相关的物理学概念
棻灡棻暋什么是动量和动量守恒定律
在物理学中棳动量是与物体的质量和速度相关的物理量暎在经典力学中棳动量棬国际单位制中的单
位为旊旂暏旐棷旙棭表示为物体的质量和速度的乘积暎一般而言棳一个物体的动量指的是这个物体在它运动方向上保持运动的趋势暎动量实际上是牛顿第一 定律的一个推论暎动量守恒定律是指在一个系统不受外力或所受外力之和为零棳这个系统的总动量保
持不变椲
棻
椵暎棻灡棽暋角动量和角动量守恒定律角动量又称动量矩棳是描述物体转动状态的量棳转动物体的转动惯量和角速度的乘积叫作它的角动量暎在经典力学中表示为到原点的位移和动量的叉积暎角动量是矢量暎矢量既有大小棳也有方向暎如质
点的质量为旐棳速度为旜棳它关于斚点的矢径为旘棳则
质点对斚点的角动量斕椊旘暏旐旜
暎它通过斚点某一轴上的投影就是质点对该轴的角动量棬标量棭暎质点系或刚体对某点棬或某轴棭的角动量等于其中各质点的动量对该点棬或该轴棭之矩的矢量棬或代数棭和椲
棽
椵
暎图棻暋角动量示意
一个质量为旐的质点绕斚点作半径为旘的匀速圆周运动棳转动角速度为氊棳则质点对斚点的角动
量斕椊旘暏旐旜椊旘暏旐旘氊椊旐旘棽氊椊斏棸氊棳式中斏棸为质点对圆心斚的转动惯量暎以角速度氊绕定轴旡转动的刚体棳其中各点都分别在与旡轴垂直的各平面上作匀速圆周运动暎
角动量还有一种表示方法棳在经典力学中表示
为到原点的位移和动量的叉乘棳通常写作斕暎角动
棬轴心棭的距离棬可以理解为半径棭棳斕表示角动量暎旔表示动量暎
角动量的方向遵守右手螺旋定则棳即角动量的方向垂直于位矢旘和动量旔所组成的平面棳指向是由旘经小于棻椄棸曘
的角转到旔的右手螺旋前进的方向暎在不受外力矩作用时棳体系的角动量是守恒的暎角动量是一种特殊的动量棳它的大小取决于转动的速率和转动物体的质量分布暎如果合外力矩零
棬即斖外椊棸棭棳则斕棻椊斕棽
棳即斕椊常矢量暎这就是说棳对一固定点斚棳质点所受的合外力矩
为零棳则此质点的角动量矢量保持不变暎这一结论
bbzs
叫作质点角动量守恒定律椲
棾
椵暎棽暋如何利用科技馆展品资源普及角动量守恒的科
学原理
很多综合性科技馆都有暟陀螺转椅暠这件经典展品棳各场馆给这件展品起的名字可能不尽相同棳但是
基本结构是一样的暎展品有一个座椅棳座椅可以旋转棳人坐在座椅上棳与座椅相连还有一个可以绕水平轴棾椂棸曘
转动的转盘暎暏
椆棽暏棽棸棽棽年棿月内蒙古科技与经济
斄旔
旘旈旍棽棸棽棽椄棿椆椄斏旑旑斿旘斖旓旑旂旓旍旈斸斢斻旈斿旑斻斿斣斿斻旇旑旓旍旓旂旟敠斉斻旓旑旓旐旟
斘旓棶椄斣旓旚斸旍斘旓棶棿椆椄
图棽暋内蒙古科技馆探索与发现创造与体验展区展品暟越转越快暠
很大一部分观众来到科技馆是抱着走马观花暍追求新奇娱乐的态度去体验展品的棳很少思考展品背后的科学原理棳因此棳更需要科普辅导员老师进行展品的辅导暎有辅导员老师的辅导棳会让观众觉得享受到了参观展品外更深度的服务棳所以会比较欢迎和配合暎 辅导员可以邀请一位观众坐在座椅上棳双脚踩在踏板上棳也就是所受外力矩为零的情况下棳请观众用一只手扶着转盘棳使转盘保持水平棳另一只手快速转动转盘手柄棳当手中转盘高速旋转起来后棳将手中的转盘旋转扭转到水平棳这位观众就会和座椅一起转起来棳请观众观察手中转盘的转动方向和身体转变方向有何不同棳能够发现是相反的方向旋转棳再请这位观众将手中的转盘旋转棻椄棸曘棳人和座椅就会向相反的方向旋转暎请观众思考这神奇现象背后的原理暎我们把体验者和座椅看作一个整体棳在这个体系中棳不考虑摩擦力的因素棳整个系统所受的合外力矩为零暎当体验者将原来竖直方向旋转着的转盘旋转到水平椲棻椵棳水平面上产生了一个角动量棳而与旋转轴相连的另一部分棳也就是座椅就会向相反的方向旋转棳用以抵消转盘的角动量棳保证系统整体角动量为棸暎比如说一个人坐在一把转椅上棳双脚离地棳在没有外力作用的情况下棳当他的上半身向一个方向旋转棳他的下半身就一定会向另一个方向旋转暎这就是角动量守恒的原理暎
棾暋采用多种方法普及角动量守恒的科学原理
棾灡棻暋结合社会热点实事激发观众的研究兴趣棽棸棽棻年棻棽月椆日棳全球瞩目的暟天宫课堂暠第一课开讲棳神舟十三号乘组航天员翟志刚暍王亚平暍叶光富在中国空间站进行了重力环境下细胞学暍物体运动暍液体表面张力等有趣的太空实验暎其中太空转身的实验特别吸引人棳很多人都想了解航天员在太空不借助外力是怎么实现自由转体的暎在太空的微重力环境下棳人人身轻如燕棳但是也同时失去了地面摩擦力提供的向前行走的动力棳所以人在太空行走不但不会比地面上轻松棳反而会寸步难行暎而航天员想在太空不触碰任何物体的情况下转身也不是一件容易的事情暎航天员叶光富老师尝试着吹气棳游泳等方法都不能完成转体棳当航天员上半身向左转动时棳下半身会向右转动棳这是为什么呢椏最后叶光富老师通过手臂画圈实现转身棳这又是为什么
呢椏结合中国航天员的暟太空授课暠热点棳吸引公众兴趣棳可结合视频棳展示叶光富老师的太空转身实验中的有趣现象棳揭示角动量守恒原理暎
天宫课堂中当航天员演示上半身向左转动时棳下半身会向右转动棳叶光富老师通过手臂画圈实现转身棳王亚平老师也做出解释棳这跟角动量有关棳在开始尝试在失重状态下悬空转身时棳叶老师的上半身转向左边棳他的下半身就会同时转向右边棳当他的上半身转向右边棳他的下半身就会同时转向左边棳上下半身总是向相反方向转动棳原因就是角动量守恒暎用手划圈实现太空转身就非常神奇了棳当王亚平老师让叶光富老师用手画圈时棳叶老师的身体开始转动了棳他是怎么转过去的棳哪来的角动量呢椏
其实答案很简单棳画圈的右手给的角动量棥在叶老师右手画圈的过程中棳会产生一个旋转的角动量棳由于角动量守恒棳身体就会产生一个反向的角动量棳导致身体会向相反的方向旋转暎同时由于旋转轴并不在身体的质心棬质量的中心棳指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点棭上棳根据惯性定律棳在空间站中悬空的叶老师在没有外力矩作用下棳他身体的质心位置会保持不变棳也就是说无论他怎么折腾棳他身体的质心依然停留在空间中的同一个位置暎因此棳当旋转的手臂给身体一个反向的角动量棳身体要向反方向旋转时质心位置必须保持不变棳那变的只能是身体各部分的位置暎
为什么手臂停止画圈棳身体会马上停下来椏这其实还是角动量守恒原理的作用暎角动量守恒是指一个物体在转动时棳如果不受外力作用或者外力扭转作用为棸时棳则角动量保持不变暎手臂停止画圈棳角动量为棸棳根据角动量守恒原理棳身体也要停止转
动维持角动量为棸暎
为何在地面上看起来如此平常的转身动作棳在太空中做起来却如此困难呢椏当人在太空中处于漂浮状态时棳在初始角动量为棸棬也就是静止不旋转棭的情况下棳如果不借助任何外部物体棳是无法靠扭动身体转起来的暎航天员叶光富在实验中的尝试已经证明了这一点棳而在地面上的我们则可以通过向地面借力的方法使自己转起来暎
棾灡棽暋结合青少年感兴趣的问题解释原理铝铁合金
了解了角动量和角动量守恒的定义较为难懂棳那么怎么才能让普通公众棳特别是还没有学习过角动量概念的青少年理解这个原理呢椲棾椵棳采取举例子的方法比给出公式和定义的方法更能使公众易于理解暎比如可以举直升机的例子暎直升机观众并不陌生棳也是青少年比较感兴趣的话题棳在内蒙古科技馆展厅内也有直升机的模型棳辅导员可以引导公众思考直升机通常有几个螺旋桨棳观众能够说出棽个棳一个是机身上方主螺旋桨棳一个是尾翼螺旋桨棳直升机机身上的主螺旋桨为飞机提供升力棳有这一个螺旋桨似乎就够了棳那么直升机的尾翼螺旋桨有什么作用椏这个时候观众就不一定能够答得出来棳辅导员可以利用多媒体设备展示暥黑鹰坠落暦电影的片段棳观看直升机尾翼被击中后棳飞机机身向主螺旋桨相反的方向自旋棳最终导致坠落的过程暎
暏棸棾暏
总第棿椆椄期内蒙古科技与经济
此时我们就可以用角动量守恒的原理来解释尾翼螺旋桨的作用了暎飞机起飞前螺旋桨不转棳角动量为零棳直升机系统角动量是守恒的棳所以飞机起飞后角动量也要为零棳飞机要起飞螺旋桨就要旋转棳所以机身就要向相反的方向旋转才能保证总角动量为零暎为了不让机身旋转棳就要尾翼旋转提供额外的力矩棳打破角动量守恒暎
棾灡棾暋设计探究环节让青少年掌握科学方法
观众通过以上尝试和辅导了解了展品为什么会转棳接下来我们还可以进一步引导观众探究怎样让展品越转越快暎也就是探究影响转动快慢的因素暎可以让观众自由玩一会儿棳观众可能会发现棳手中转盘扭转不同程度会导致身体旋转速度不同棳我们在此基础上设计探究实验棳可以让观众再次保持手中转盘为竖直方向并让转盘旋转起来棳当让手中转盘倾斜棾棸曘时棳可以计时看观众随座椅旋转一圈用时几秒棳再将转盘倾斜至椂棸曘棳计时并记录观众转一圈用时几秒棳最后将转盘倾斜至椆棸曘棳并记录转一圈所用时间暎能够发现角动量方向对速度的影响暎得出结论当转盘的旋转轴和座椅的旋转轴越平行棳产生的扭力就越大棳转速就越快暎转盘的角度不同实质是角动量的方向改变棳角动量的方向遵守右手螺旋定则棳这里可以用白板画出图来请观众帮忙标出角动量的方向棳方便观众理解暎
除了角动量的方向棳还有什么因素能够影响旋转速度呢椏根据公式斕椊旐旘棽旝棳旝代表转动惯量棳转动惯量又是什么呢棳我们可以借用两个哑铃来了解一下棳请观众在座椅上旋转起来棳尝试伸展双臂棳请另一个观众计时棳看转一圈用多长时间棳再把双臂抱在胸前棳看转一圈用多长时间棳把哑铃递给座椅上的观众棳让他一手拿一个哑铃重复刚才的动作棳再次计时棳通过以上实验棳可以发现另一个影响转动快慢的因素棳就是转动惯量暎拿哑铃转动比不拿哑铃转速快棳说明转动惯量和质量有关棳双手抱在胸前时比伸展双臂快棳说明转动惯量和质量分布有关棳双手抱在胸前棳哑铃暍人和座椅整个系统的质量更集中在于靠近转轴中心棳伸展双臂时棳质量分布更远离转轴中心暎航天员叶老师在天宫课堂也实验了这个动作棳花样滑冰运动员也会利用角动量守恒完成优美的旋转动作椲棿椵暎
在角动量方向暍转动惯量对旋转速度的影响的探究中棳可以培养青少年观察暍记录暍推理暍控制单一变量进行实验能科学方法暎
试验平台棾灡棿暋拓展科学原理在实际生活中和前沿科技中的应用
在太空中棳需要解决暟转身暠问题的棳除了航天员棳还有在太空中飞行的卫星暎它们和航天员们的情况类似棳在没有其他东西可以依靠的环境下棳卫星如何才能实现自主转向椏答案是反作用轮和陀螺仪暎反作用轮是一种安装了电动机的飞轮棳也称为动量轮暎按照牛顿第三定律棳因为太空中没有空气阻力棳当一个反作用轮转动时棳整个卫星就会朝着相反的方向转动暎反作用轮棬动量轮棭的作用和手臂画圈类似棳通过和主体交换角动量达到控制姿态的目的棳只不过手臂在体外棳而动量轮可以收到卫星平台体内暎如果沿棾个不同方向安装反作用轮棳就可以实现三轴控制依靠飞轮转动形成的角动量暎让航天器自如地在三维空间中转向任意方向椲椀椵暎这种方法大大提升了控制精度棳卫星也变得更加灵活棳因此被广泛用于各种卫星的姿控分系统暎此项技术的优势在于可以纯靠太阳能电力驱动棳不需要燃料的消耗暎反作用轮可以在太空中给航天器重新定向棳陀螺仪可以用来保持太空望远镜的精确稳定的指向目标椲椂椵暎
太空微重力环境下棳很多在地面上看起来习以为常的事情都会呈现出不一样的面貌暎哪怕是暟转身暠这样看似不起眼的小事棳也蕴含着和卫星姿控相关的基本原理暎在地面上走路时的摆臂动作也蕴含着
角动量守恒原理棳人向前走的时候棳地面对人体产生的摩擦力提供一个向前的力矩棳产生了一个角动量棳这个角动量会使人体趋向继续旋转棳就会有摔倒的趋向棳而为了走的稳定棳人体的手臂会做一个相反方向的运动来产生相反的角动量来抵消腿部产生的角动量暎所以人走路出左脚会向前摆右臂棳就是这个道理暎暟顺拐暠的动作不仅仅看起来别扭棳同时还不稳定棳消耗的能量也更多暎陀螺旋转起来不容易倒棳也是角动量守恒的原理暎相信生活中还有很多隐藏在暟习以为常暠外表下的未知棳等待着我们去发现和探索暎
棿暋结束语
科普的目的是传播科学知识棳传递科学方法暍启迪科学思想和弘扬科学精神棳科普工作者应该紧追时事热点棳把科学原理同观众感兴趣的问题相结合棳在展品辅导中设计探究式的教育活动棳让观众学习科学知识的同时掌握科学方法棳拓展科学原理在实际生活中和前沿科技中的应用棳让每件展品成为科学传播的工具和载体棳这种科普方法在科技场馆内非常适合棳在实践中科普效果提升比较明显棳深受公众尤其是青少年体的欢迎暎我们今后科普工作的方向就是用通俗的语言暍身边的例子和观众感兴趣的问题解释科学棳充分调动观众兴趣暍启迪观众思考暍让观众在探究中掌握科学方法棳让展品在观众的思考中焕发生机棳让观众在展品体验中享受科学的无限魅力暎
椲参考文献椵
椲棻椵暋李阳灡思维定势与大学物理教学椲斒椵灡中国电力教育棳棽棸棸椆棬棻棽棭椇椀椄棴椂棸灡
椲棽椵暋李小芳棳王志梅灡角动量守恒定律的应用椲斒椵灡长春工业大学学报棳棽棸棻椆棳棿棸棬棿棭椇棾椃椄棴棾椄棽灡
椲棾椵暋韩芍娜灡角动量守恒定律及其应用椲斒椵灡新校园棬上旬棭棳棽棸棻椃棬椀棭椇棻棸椃棴棻棸椄灡
椲棿椵暋张靓靓棳符中秋灡生活中的角动量守恒定律暘暘暘从暥黑鹰坠落暦说起椲斒椵灡基地物理棳
棽棸棻棾棬棻棭椇棾椄棴棿棽灡
椲椀椵暋包妙琴灡我国自旋稳定通信卫星四种发展方案的比较椲斒椵灡中国空间科学技术棳棻椆椆棽棬棽棭椇
涂布刮刀棾棸棴棾椃灡
椲椂椵暋章仁为灡卫星轨道姿态动力学与控制椲斖椵灡北京椇北京航空航天大学出版社棳棻椆椆椄灡
暏棻棾暏
毛彦芳暏角动量守恒的科普实践研究棽棸棽棽年第椄期
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