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用扭摆法测定物体的转动惯量
一、实验目的
1.用扭摆测定弹簧的扭转常数K。
2.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。
3.验证平行轴定理。
二、实验仪器
1.转动惯量测试仪
2.几种待测刚体(空心金属圆柱体、实心塑料圆柱体、木球、验证转动惯量平行轴定理的细金属杆,杆上有两块可以自由移动的金属滑块)
三、实验原理
1.扭摆的简谐运动
将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M与所转过的角度成正比,即
(1)
式中K为弹簧的扭转常数。根据转动定律
(2)
式中I为转动惯量,β为角加速度,由(1)式和(2)式得
其中,忽略轴承的摩擦力矩,则有
上式表明扭摆运动是简谐振动,且角加速度与角位移成正比,方向相反。此方程的解为
式中A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)式,测得扭摆的周期T,在I和K中任何一个量已知时即可计算出另一个量。
本实验用一个转动惯量已知的物体(几何形状有规则,根据它的质量和几何尺寸用理论公式计算得到),测出该物体摆动的周期,再算出本仪器弹簧的K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(3)式即可计算出该物体绕转动轴的转动惯量。
2.平行轴定理
若质量为m的物体绕通过质心轴的转动惯量为I。,当转轴平行移动距离x时,则此物体对新轴的转动惯量,称为转动惯量的平行轴定理。
四、实验内容与步骤
一 用游标卡尺测圆柱体的直径,金属圆筒的内外径等。 (各测量3次)。用数字式电子台秤分别测出待测物体的质量。木球体质量见球体上标签,直径取134毫米。
数字式电子台秤是利用数字电路和压力传感器组成的一种台秤。物体放在秤盘上即可从显示窗直接读出该物体的重量(近似看作质量m),最后位出现±1的跳动属正常现象。
二 调整扭摆基座底脚螺丝,使水准仪中气泡居中。
三 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杆的平衡位置处,使载物盘上的挡光杆处于光电探头的中央,且能遮住发射和接收红外线的小孔。测定其摆动周期To。
四 将塑料圆柱垂直放在载物盘上,测出摆动周期T1。
五 用金属圆筒代替塑料圆柱,测出摆动周期T2。
六 取下载物金属盘,装上木球,测出摆动周期T3。
七 取下木球,装上金属细杆(细杆中心必须与转轴中心重合),测出摆动周期T4。
八 将滑块对称地放置在金属细杆两边的凹槽内,此时滑块质心离转轴的距离分别为5.00cm、10.00cm、15.00cm、20.00cm、25.00cm,分别测定细杆加滑块的摆动周期T5。
五、数据表格
1、测定塑料圆柱、金属圆筒、木球与金属细杆的转动惯量。
= 3.699×10-2N?m , 9.3685×10-4 N?m
物体名称 质量(kg) 几何尺寸
(mm) 周期(s) 转动惯量理论值(kgm2) 实验值(kgm2) 百分差 金属载物盘 / / 10T0 7.397 / 5.1288×10-4 / 7.398 7.402 0.7399 塑料圆柱 0.715 100.06 10T1 12.26
8.9459×10-4 8.9449×10-4 0.012% 100.04 12.25 100.04 12.25 100.047 1.2257 金属圆筒 0.701 100.10 10T2 15.17
1.6481×10-3 1.6431×10-3 0.31% 100.10 100.12 15.16 100.107 93.73 15.18 93.74 93.75 1.517 93.74 木球 0.816
10T3 10.94
1.4632×10-3 1.4598×10-3 0.37% 10.91 10.91 134 10.917 金属细杆 0.134 L 609
10T4 21.06
4.1415×10-4 4.1540×10-4 0.30% 21.06 21.05 21.057
2、验证转动惯量的平行轴
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