转动惯量实验指导书.doc

转动惯量转动惯量实验指导书一：注意事项二：扭摆法测定物体转动惯量基本原理三：光电计时、计数实验仪使用指南海南大学物理实验室一：注意事项1进入实验室不可移动、摆弄实验台/桌上的所有仪器用具。以免拉断仪器间的连接电缆/线、改变教师设置好的各种实验参数！2实验结束后必需经任课教师检查你所使用的实验仪器与用具，器具完好无损方可离开实验室！3每套实验仪器的扭摆及其待测件（转盘、圆柱体、金属圆筒、尼龙球等）均为单配，实验过程中不可交换使用，否则待测件不能安装到扭摆上或者勉强安装上之后不能取下来。实验结束后务必配套放入框内！ 4在安装待测物体时，其支架必须全部套入扭摆的主轴并适当旋紧对接紧固螺丝（不可拧死），否则扭摆不能正常工作。5更换不同待测物体时，务必完全松开对接紧固螺丝，并轻拿轻放待测物体！6弹簧的扭转常数不是固定的常数，它与摆角大小略有关系，摆角在间基本相同。为了减少实验的系统误差，测定各种物体的摆动周期时，摆角应基本保持在同一个范围内且启摆角度不可超过或反向启摆。7光电探头支架与计数仪位置不可随意移动，以免拉断计数仪后面的联机电缆线；光电探头宜放置在挡光杆的平衡位置处，挡光棒不能与它接触，以免打坏光电探头或增加摩擦力矩。8计数仪板面的各按钮（键）只需轻轻触碰即可，不可大力反复按压。9机座应保持在水平状态。二：用扭摆法测定物体的转动惯量基本原理转动惯量是刚体转动惯性大小的量度，是表明刚体特性的一个物理量。转动惯量的大小与物体质量、转轴的位置和质量分布（即形状、大小和密度）有关。如果刚体形状简单，且质量分布均匀，可直接计算出它绕特定轴的转动惯量。但在工程实践中，我们常碰到形状复杂，且质量分布不均匀的刚体，理论计算将极为复杂，通常采用实验方法来测定。转动惯量的测量，一般都是使刚体以一定形式运动。通过表征这种运动特征的物理量与转动惯量之间的关系，进行转换测量。本实验使物体作扭转摆动，由摆动周期及其它参数的测定算出物体的转动惯量。【实验目的】1巩固长度测量仪器与物理天平的实验技能。2用扭摆测定弹簧的扭转常数。3用扭摆测定几种不同形状物体的转动惯量，并与理论值进行比较。【实验仪器】型智能转动惯量综合实验仪。由扭摆、光电计时仪及几种待测刚体（空心金属圆柱体、实心塑料圆柱体、尼龙球组成。【实验原理】1 扭摆的简谐运动：扭摆的结构如图1所示，其垂直轴上装有一根簿片状的螺旋弹簧5，用以产生恢复力矩。在轴上方可以装上各种待测物体。垂直轴与支座间装有轴承，使摩擦力矩尽可能降低。为了使垂直轴与水平面垂直，可通过底脚螺丝钉8来调节，11为水平仪，用来指示系统调整水平。将套在轴上的物体在水平面内转过一角度后，在弹簧的恢复力矩作用下，物体就开始绕垂直轴作往返扭转运动。根据虎克定律，弹簧受扭转而产生的恢复力矩与所转过的角度成正比，即： （1）式中为弹簧的扭转常数。根据转动定律： （2）式中为转动惯量，为角加速度，由（1）与（2）得： 其中，忽略轴承的摩擦力矩，则有： 即： 此方程表明忽略轴承摩擦力的扭摆运动是角简谐振动：角加速度与角位移成正比，且方向相反。此方程的解为： 式中为简谐振动的角振幅为初位相，为角频率。此简谐振动的周期为： （3）利用公式（3），测得扭摆的周期，在和中已知任何一个量时，即可计算出另一个量。 实验过程中可选用一个转动惯量I已知的物体（几何形状规则，根据它的质量和几何尺寸用理论公式计算得到），先测出该物体的摆动周期T，将转动惯量I和周期T代入（3）式即可求算出弹簧的值。若要测量其它形状物体的转动惯量，只需将待测物体安放在本仪器顶部的各种夹具上，测定其摆动周期，由公式（3）即可计算出该物体的转动惯量。【实验仪器】型智能转动惯量综合实验仪。由扭摆、光电计时、计数仪及几种待测刚体（空心金属圆柱体、实心塑料圆柱体、尼龙球）组成。【实验内容】1 认真阅读、领会实验操作 “注意事项”。2 熟悉扭摆的构造、使用方法，掌握型智能转动惯量综合实验仪的操作要领。3 测定扭摆弹簧的扭转常数。4 测定金属转盘、塑料圆柱、金属圆筒、尼龙球的转动惯量。【实验步骤】1用游标卡尺和天平分别测出待测圆柱体的质量和直径，数据填入表1。2调整扭摆基座底脚螺丝，使水准仪中气泡居中。3装上金属载物盘，调节光电探头的位置。要求光电探头放置在挡光棒的平衡位置处，使载物盘上的挡光棒处于光电探头的中央，且能遮住发射和接收红外线的小孔。4把光电计时、计数仪的功能设置为“周期”测量，把周期次数设置为10，设置结束。按一下“复位”按钮，先用手指轻推转盘使其偏离平衡位置约，再轻按一下光电计时、计数仪面板上的“执行”按钮，松手让载物盘来回摆动，测定空载物盘的摆动周期 。测定10次，把数据记录到表2中。5拧松转盘上的档光棒，将塑料圆柱体垂直放在载物盘上并拧紧档光棒，档光棒千万不要拧的太紧以免滑丝。6重复步骤4，测出摆动周期 。 7用金属圆筒代替塑料圆柱体，测出摆动周期 。8取下转盘，装上尼龙球，测出摆动周期 。（选做）【数据记录】表1 圆柱体直径与质量实验数据记录参考表12345678910D（m）M(kg)备注= ; = ; 表2 转动惯量测定实验数据记录参考表物体名称质量几何尺寸周期转动惯量理论值转动惯量实验值备注转 盘 塑料圆柱见表1见表1金属圆筒尼龙球（选做）注：球支座转动惯量： 【实验结果】1. 扭转常数的求算：利用转盘空载时的摆动周期和在转盘上放置塑料圆柱体时的摆动周期的实验值结合塑料圆柱转动惯量的理论值来确定K值：设转盘的转动惯量为，则由公式（3）得： 或 则扭转常数为： 因此，测出，即可得到值。2. 转动惯量、实验结果： ；= ；= ；= ；= （选做）三：计时计数毫秒仪使用指南（1）计时仪内设单片机芯片，经适当编程，具有计时、计数、存储和查询功能。可用于单摆、气垫导轨、马达转速测量、生产线产品计数、产品厚度测量、车辆运动速度测量及体育比赛计时等诸多与计时相关的实验。（2）该毫秒仪通用性强，可以与多种传感器连接，用不同的传感器控制毫秒仪的启动和停止，从而适应不同实验条件下计时的需要。（3）毫秒仪量程可根据实验需要进行切换：分辨率,分辨率，由仪器面板“量程”按钮进行转换。“计时”指示灯亮，左窗口数码管熄灭，仪器进入 “计时”功能状态； （4）周期与计数功能由面板“功能”按钮转换：周期指示灯亮，仪器面板左窗口二位数码管同时点亮，仪器进入“周期”计数功能：在此功能下，可预置测量周期个数：根据实验需要周期设置范围从个，周期数由左窗口显示。周期显示数随计数进程逐次递减，当显示数到达1以后接着就返回到设置数值，此时计数停止。 （5）有两种工作方式：周期方式和计数方式，在两种方式下均有存贮和查询功能。在周期方式下，按“执行”键，“执行”工作指示亮，当测量启动时灯光闪烁，表示毫秒仪在工作。在每个周期结束时，显示并存贮该周期对应的时间值，在预设周期数执行完后，显示并存贮总时间值，然后退出执行状态。（6）在周期或计时方式下，逐次按“查询”键，则依次显示出各周期对应的时间值，在最后周期显示出总时间值，在预设周期完后，则停止查询。（7）按“复位”键，除了预设周期值恢复原设置，时间显示清零之外，还有退出查询的功能。记住查询完后一定要按“复位”键退出查询。（8）周期方式或计数方式