刚体转动惯量实验的教案.doc

大 学 物 理 实 验 教 案（1）实验题目 刚 体 的 转 动 惯 量 实 验（扭摆法）实验性质基本实验实验学时教师教学目的1 了解刚体转动惯量的测定方法（动力学方法；振动方法等）。2 了解和使用周期测量仪，用累积放大法测量周期。3 用扭摆法求出刚体的转动惯量。4 写出一份科学规范的实验报告。重 点1 用累积放大法测量周期。2 观测转动惯量随质量、质量分布及转动轴线的不同而改变的状况。难 点1 实验装置系统的调节。2 刚体转动惯量的测定的过程中，正确测量周期。3 处理数据、误差分析。教学过程的设计课前的准备：1. 仪器设备的检查，卡尺和千分尺的零点值；周期测量仪的正常工作。2. 实验的预做（采集三组以上数据进行处理）。3. 作出数据表格设计的参考。课上教学的设计：一、课上的常规检查 （预习报告、数据表格的设计等）。 (5 分钟) 二、讲解的设计(30分钟)上课内容0.第一轮实验的教学目标：1）学会物理实验基本方法（累积放大法、机械放大法、光学放大法等等）和部分基本仪器的使用（如，周期测量仪、分光计、示波器、电桥等等）。2）学会实验数据的记录、计算，和数据处理的几种方法。3）学会科学的撰写物理实验报告。 1引言：转动惯量是描述刚体转动惯性大小的物理量，是研究和描述刚体转动规律的一个重要物理量，它不仅取决于刚体的总质量，而且与刚体的形状、质量分布以及转轴位置有关。对于质量分布均匀、具有规则几何形状的刚体，可以通过数学方法计算出它绕给定转动轴的转动惯量。对于质量分布不均匀、没有规则几何形状的刚体，用数学方法计算其转动惯量是相当困难的，通常要用实验的方法来测定其转动惯量。因此，学会用实验的方法测定刚体的转动惯量具有重要的实际意义。实验上测定刚体的转动惯量，一般都是使刚体以某一形式运动，通过描述这种运动的特定物理量与转动惯量的关系来间接地测定刚体的转动惯量。测定转动惯量的实验方法较多，如动力学的转动法、振动的扭摆法、三线摆法等，本实验是利用“扭摆”来测定刚体的转动惯量。为了便于与理论计算比较，实验中仍采用形状规则的刚体。 2.交代题目，提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计原则：3.实验原理：将一金属丝上端固定，下端悬挂一刚体就构成扭摆。图1表示扭摆的悬挂物为圆盘。在圆盘上施加一外力矩，使之扭转一角度。由于悬线上端是固定的，悬线因扭转而产生弹性恢复力矩。外力矩撤去后，在弹性恢复力矩作用下圆盘作往复扭动,弹性恢复力矩转角的关系为：式中， 称扭力系数。忽略空气阻尼力矩的作用，根据刚体转动定理有 (1) 式中， 为刚体对悬线轴的转动惯量，为角加速度。 图扭摆作角简谐振动的运动微分方程为 （2） 式中为角简谐振动的圆频率。其周期为 （3）或者 （4）若未知，可利用一个对其质心轴的转动惯量已知的物体，其质量为，将它附加到圆盘上，并使其质心位于扭摆悬线上，组成复合体。此复合体对以悬线为轴的转动惯量为+复合体的摆动周期为 （5）其中，圆环对悬线轴的转动惯量有由下式计算 (6) 式中，为圆环的质量；和分别为圆环的内直径和外直径。由（4）式和（5）式可得 (7)4实验内容：1）分别用累积放大法测量圆盘和圆盘加圆环的和 值。2）用游标卡尺测量圆环的内、外直径6次以上。（用螺旋测微计测量钢丝的直径d）。3）圆环质量已标明在圆环上。根据测量结果计算圆盘的转动惯量和圆环的转动惯量。5实验数据5.11）2）(注：取0.02g ；只取A类不确定度)3）4）5.21) 2)3) 4) 6实验报告的写法与要求实验报告是学生完成某一实验题目的实验总结，是学生展示自己的科学素养和实验技能、发表实验见解的学习性报告，实验报告是论文的前奏，有的实验报告本身就是一篇小论文，因此撰写实验报告是培养学生进行科学写作的有效形式之一。根据物理实验教学的特点，并参照国家关于科技论文的有关标准和规范，建议在撰写物理实验报告时，应包括如下内容：1) 实验题目：一般就是项目名称。2)实验的说明：是实验目的和要求3)实验内容和原理：简要论述测量的科学依据，给出或者推导出测量的公式以及测量的原理图。4)主要仪器设备：简要介绍测量对象和所使用的仪器设备，对于一些教学重点是实验仪器调整和使用的实验，要说明仪器的结构和工作原理。5)实验步骤、操作方法与过程：这一部分要体现实验者通过科学测量获取实验数据的过程。对于操作过程中遇到的问题和故障，以及为解决这些问题而采取的措施要做适当的阐述。6)实验数据记录和处理：这一部分展现的是实验报告的基础性材料和实验追求的最终结果。按实验报告的要求，数据一定要记录在根据需要设计的表格内，注意原始数据的记录一定用钢笔或者碳素笔。列出直接测量量的两类不确定度并按照规范化的要求报道实验的最终结果。不确定度计算、作图、有效数字运用要符合要求。7) 实验结果分析与讨论：实验报告上要有实验的分析讨论，这是培养分析能力的重要方面。例如：（1） 实验的原理、方法、仪器你感到掌握了没有？实验目的达到否？（2） 实验误差的分析讨论，有哪些误差来源？哪些是主要的？哪些是次要的？系统误差表现在哪里？如何减少或消除？（3） 改进实验的设想。怎样改进测量方法或装置？实验步骤怎样安排更好？（4） 观察到什么异常现象，如何解释。遇到什么困难，如何克服。（5） 测量结果是否满意。误差是否在允许范围内，如实验结果不好，是何原因。（6） 该实验对进一步加深和巩固理论知识有何帮助。实验涉及的原理、方法有何实用价值。（7） 对实验的教学内容和方法提出建议或者对于一些问题的质疑等。8)实验前一定要有预习。实验预习报告的内容由学生自己来决定，原则上是能帮助自己顺利的完成操作。一般情况下预习报告应包括上文中以上1、2、3、4、5项，设计好原始记录的数据表格，并作好回答课堂讨论思考题的准备。 设计性或者研究性的实验报告的撰写参考科技论文的写法，其结构的主要内容是：题目、作者署名、摘要、关键词、引言、正文、结论、参考文献等，更具体的要求将在设计性实验的过程中讲授。7实验的拓展：(由本实验的完成深化和延伸所学的知识，启发学生利用现有的设备拓展出新的实验内容,培养学生的创新思维和创新能力。)1）利用此设备测试和研究仪扭力系数与转角关系。2) 利用此设备设计和测量材料的切变模量.8介绍主要仪器设备与使用:9强调实验中要注意的问题1)测量前，根据水准泡的指示，先调整底座台面的水平。测量时，摆角尽可能小些，以满足小角度近似。防止扭摆盘在摆动时发生晃动，以免影响测量结果。2)测量周期时应合理选取摆动次数。先估算的相对误差，然后推出的相对误差公式。根据使或（）的相对误差项对的贡献比的相对误差贡献小的原则，确定摆动次数。估算时，取0.02g ，和均取0.04mm ，取400gcm2，取0.03s ，和可先大概测出。三、学生的实验开始 (100分钟)四、指导实验。实验前30分钟不解答问题,给学生自己理解消化的时间,30分钟后边指导边提出一些问题启发学生解答.重点辅导:1) 扭摆刚体转动实验仪的调节.2)实验条件的保证.五、检查实验的结果,签字.六、实验小结。 （实验结束前的10分钟）1.实验中有哪些影响测量准确度的因素？2.如何利用多次测量来减小测量不确定度的？3.拓展题目完成的意义。时间的掌握：留由5分钟机动的时间。目标在于告诉学生注重“过程”，注重实验的初级阶段要掌握的东西。课后思考题1.摆在摆动过程中要受到空气的阻尼，振幅会越来越小，它的周期是否会随时间而变？2.在摆下圆盘上加上待测物体后的摆动周期是否一定比不加时的周期大？分析说明之。电子课件的授课形式：用液晶电视讲解黑板的板书设计：板书内容刚体的转动惯量实验的题目，在黑板的中央）。第一板单元教学目标：1学会物理实验基本方法和部分基本仪器的使用（如，分光计、示波器、电桥等）。2学会实验数据的记录、计算，和数据处理的几种方法。3学会科学的撰写物理实验报告。 实验的目的：1.了解刚体转动惯量的测定方法（动力学方法；振动方法等）。2.了解和使用周期测量仪，用累积放大法测量周期。3.用扭摆法求出刚体的转动惯量。4.写出一份科学规范的实验报告。实验原理：（将原理部分与原理图分成两块）如图1示，在圆盘上施加一外力矩，扭转一角度。外力矩撤去后，在弹性恢复力矩作用下圆盘作往复扭动,弹性恢复力矩转角的关系为： （1）式中， 称扭力系数。【忽略空气阻尼力矩的作用，根据刚体转动定理有】 (2) 【式中， 为刚体对悬线轴的转动惯量，为角加速度。】 【扭摆作角简谐振动的运动微分方程为】 （3） 式中为角简谐振动的圆频率。其周期为 （4）或者 （5）【若未知，可利用一个对其质心轴的转动惯量已知的物体，其质量为，将它附加到圆盘上，并使其质心位于扭摆悬线上，组成复合体。此复合体对以悬线为轴的转动惯量为+复合体的摆动周期为】 （6）其中，圆环对悬线轴的转动惯量有由下式计算 (7) 【式中，为圆环的质量；和分别为圆环的内直径和外直径。由（4）式和（5）式可得】 (8)实验内容：1）分别用累积放大法测量圆盘和圆盘加圆环的和 值。2）用游标卡尺测量圆环的内、外直径6次以上。（用螺旋测微计测量钢丝的直径d）。3）圆环质量已标明在圆环上。根据测量结果计算圆盘的转动惯量和圆环的转动惯量。实验的过程设计1.拟好实验步骤,根据仪器设备的使用方法,确定各物理量的测量方法和记录表格。2.连接好光电门与测试仪的专用插头，注意插孔的方向。 3.打开电源，置周期为T=10（数显），测量时实际显示的是挡光杆来回经过光电门的次数，为T=2n+1次。5.分别测量圆盘和圆盘加圆环的和T 值。6.用游标卡尺测量圆环的内、外直径。7.圆环质量m1已标明在圆环上。根据测量结果计算圆盘的转动惯量J0和圆环的转动惯量J1。实验注意事项1)测量前，根据水准泡的指示，先调整底座台面的水平。测量时，摆角尽可能小些，以满足小角度近似。防止扭摆盘在摆动时发生晃动，以免影响测量结果。2)测量周期时应合理选取摆动次数。先估算的相对误差，然后推出的相对误差公式。根据使或（）的相对误差项对的贡献比的相对误差贡献小的原则，确定摆动次数。估算时，取0.02g ，和均取0.04mm ，取400gcm2，取0.03s ，和可先大概测出。第二板，第三板实验的数据记录与处理:1.数据记录表1圆环内外径测量数据Tab1待测量圆环内径/10-3m 圆环外径/10-3m 次数123456平均99.9599.88899.9999.8999.9299.88119.78119.81119.96119.88119.85119.74 注：表2 两个周期的测量Tab2待测量周期（10）/s 周期（10）/s 次数123456平均1.8561.8451.8771.8961.9561.7453.1413.4563.2783.2473.5183.566注：2.数据处理1）2）(注：取0.02g ；只取A类不确定度)3）4）5) 6）(注： 只取A类不确定度)7) 8) 实验报告的要求：1.数据处理的要求。2.误差分析与问题的讨论五、黑板右边的空白备用参考数据：外径D1=0.12米，内径D2=0.1米，钢丝弦长0.382米，弦的直径0.008米T=3.141S T0=1.8116S； 代入公式计算J1=0.001659；K=5.9909；J0=0.5148；G=5.9631013括号内黑体用语言讲述.1.括号内的解释用语言叙述。2.寻找几名优秀的学生在课外开放时间内完成拓展实验的题目1.括号内的解释用语言叙述。2.寻找几名优秀的学生在课外开放时间内完成拓展实验的题目程序预置周期为T=30（数显），测量时实际显示的是挡光杆来回经过光电门的次数，为T=2n+1次。4.根据具体要求，若要设置10次，先按“置数”键，再按下调（或上调）改变周期T，即可按执行键开始计时。信号灯不停闪烁，即为计时状态，这时显示的是计数的次数；当物体经过光电门的周期次数达到设定值，数显将显示具体时间，单位“秒”。如须再执行“10”周期时，无须重设置，只要按“返回”即可回到上次刚执行的周期数“10”，再按“执行”键，便可以第二次计时（当断电再开机时，程序从头预置30次周期，须重复上述步骤）。注意：1.表格应是三线表。（可加辅助线）2.要有题目3.中英文对照实验报告的写法与要求实验报告是学生完成某一实验题目的实验总结，是学生展示自己的科学素养和实验技能、发表实验见解的学习性报告，实验报告是论文的前奏，有的实验报告本身就是一篇小论文，因此撰写实验报告是培养学生进行科学写作的有效形式之一。根据物理实验教学的特点，并参照国家关于科技论文的有关标准和规范，建议在撰写物理实验报告时，应包括如下内容：1、 实验题目：一般就是项目名称。2、 实验的说明：是实验目的和要求3、 实验内容和原理：简要论述测量的科学依据，给出或者推导出测量的公式以及测量的原理图。4、 主要仪器设备：简要介绍测量对象和所使用的仪器设备，对于一些教学重点是实验仪器调整和使用的实验，要说明仪器的结构和工作原理。5、 实验步骤、操作方法与过程：这一部分要体现实验者通过科学测量获取实验数据的过程。对于操作过程中遇到的问题和故障，以及为解决这些问题而采取的措施要做适当的阐述。6、 实验数据记录和处理：这一部分展现的是实验报告的基础性材料和实验追求