惯性导航实验报告
——陀螺运动特性的研究
实验小组：111711班第四小组
学号：11171016-11171020
依次对应学号：王瑞捷廖旭博周林高硕赵大年指导老师：
惯导实验——陀螺特性的研究
一、实验目的
1、通过四个不同的小实验了解陀螺仪的运动特性
2、了解什么是陀螺的进动性
3、了解什么是陀螺的定轴性
4、了解什么是陀螺的陀螺力矩
二、实验内容
1、实验一
将高速旋转的陀螺转子放在插座上，观察并记录现象和分析原因。

2、实验二
将高速旋转的陀螺转子竖放在转盘上，观察并记录现象和分析原因。

3、实验三
将高速旋转的陀螺转子放在倾斜导轨上使之下滑，观察并记录现象和分析原因。

4、实验四
将高速旋转的陀螺系统放在插座上，分开内外轨使之相互垂直，再分别转动内外轨，观察并记录现象和分析原因。

三、实验记录及原理说明
实验一
1、看到的现象，体现了什么特性？
现象:可以看见陀螺转子呈锥形左右缓慢转动。

特性:体现了陀螺的进动性。

2、陀螺转速降低后，观察到的现象及原因？
现象：当陀螺的转速逐渐减慢时，锥形的角度开始变大，且其进动角速度变大。

原因：由于陀螺受到摩擦力的作用，其转速会逐渐降低，即陀螺的角动量H变小，而外力矩不变。

由M=ω×H······M=ω*H*sin 可知,此时陀螺的进动角速度ω会变大，锥形角度也变大。

3、手提陀螺转子的感受及原因分析？
感受：当我们想把高速旋转的陀螺放到转动插座上时，手明显能感受到陀螺的“力”反作用于我们的手。

原因：这是因为高速旋转的陀螺在受到外力矩的时候，陀螺进动，此时陀螺存在一个反作用力矩（即陀螺力矩），其大小与外力矩相等，方向与之相反，并作用于给陀螺仪施加外力矩的物体上，即我们的手。

实验二
1、转盘与转子的转动方向是否一致？原因？
答：可以看见陀螺转子与转盘一起转动，方向一致。

原因:转盘与转子转动方向一致表现了高速旋转的陀螺有很好的定轴性。

另外，在第一段实验中我们说明了陀螺具有陀螺力矩，本实验中竖直放在转盘上的转子与转盘之间存在微小摩擦力，转盘对转子有一个摩擦力矩，因此转子对转盘有一个大小相等方向相反的陀螺力矩。

在这个力矩作用下，转盘随着转子有相同的转动方向。

（以上是对书本学习后的想法，网上
查资料说是角动量守恒，也可解释此现象。

）
实验三
1、为什么陀螺转子能在滑轨上保持平衡？
答：因为高速旋转的陀螺具有进动性；另外陀螺能够产生陀螺力矩，可以“抵抗”重力矩来保持平衡，而不会倒下。

2、陀螺转速降低后的现象及原因？（现象及原因与实验一相同）
现象：在摩擦力的作用下，转子转速降低，摇摆幅度变大。

原因：由于陀螺受到摩擦力的作用，其转速会逐渐降低，即陀螺的角动量H变小，而外力矩不变。

由M=ω×H······M=ω*H*sin 可知,此时陀螺的进动角速度ω会变大，锥形角度也变大。

3、转子在滑动过程中体现了什么特性？
答：体现了陀螺的定轴性。

当转子下滑时，陀螺的进动性保证了陀螺不会因重力矩的作用而倾倒；而下滑时转子明显有绕定轴旋转的特点，即其旋转中心轴的方向指向始终不变，这就是陀螺的定轴性。

实验四
1、转动外轨时的现象及原因？
现象：转动外轨，发现无论中间的轨道怎么转动，中心的转子始终保持一个方向不变。

原因：转动外轨时，陀螺系统是一个二自由度的系统。

由于高速旋转的陀螺在受到外力作用时，陀螺会产生陀螺力矩，而由于系统中的框架是自由的，故陀螺力矩作用于内外框架上使之旋转而自身保持定轴旋转。

（也可以用角动量守恒来说明）
2、转动中轨时的现象及原因？
现象：但固定外轨后，陀螺系统变成了单自由度的陀螺系统。

此时再转动内轨时，转子会向内轨平面旋转直到与之重合。

重合之后角动量矢量方向与外轨的轴的方向重合，此后转子与内轨保持一致旋转。

原因：当外轨固定，转动内轨时，转子进动到与内轨重合，产生“框架自锁”，此后系统与普通钢体无异，失去了陀螺的陀螺力矩定轴稳定效应。

四、实验总结
通过本次实验，很好的了解了关于陀螺仪的一些基本的性质。

在做实验前，老师向我们讲解了关于实验的内容注意事项，保证了我们能顺利地完成实验。

实验中，我们小组每个成员都参与其中，亲自上手操作，有了切身的体验。

在实验过程中一起讨论试验的现象，进行初步的分析以及实验现象记录。

实验过后进行深入的讨论，对实验现象背后所展示的实验原理进行讨论，在写实验报告的时候，遇到了许多问题，虽然对陀螺的进动性、定轴性、陀螺力矩等性质及特性有一定深度的了解，但运用起来还是用一定的难度，有些现象还是很难解释明白，对此我们回归书本，对陀螺的基础原理与性质再次学习。

本次实验形象的让我们体验到惯性技术的基本知识，对我们课上的学习内容有更为深刻的理解。

尤其是从实验再次回归书本的学习让我们对陀螺的运动特性有了更深的理解。