实验三 刚体转动惯量的测定

实验三 刚体转动惯量的测定 实验三 刚体转动惯量的测定 转动惯量是描述刚体转动中惯性大小的物理量，它与刚体的质量分布及转轴位置有关。正确测定物体的转动惯量，在工程技术中有着十分重要的意义。是高校理工科物理实验教学大纲中的一个重要基本实验。 IM-2刚体转动惯量实验仪，应用霍尔开关传感器结合计数计时多功能毫秒仪自动记录刚体在一定转矩作用下，转过β角位移的时刻，测定刚体转动时的角加速度和刚体的转动惯量，本实验仪提供了一种测量刚体转动惯量的新方法，实验思路新颖、科学，测量数据精确，仪器结构合理，维护简单方便，是开展研究型实验教学的新仪器。 【实验目的】 (1)了解多功能计数，计时毫秒仪测量(时间)的基本方法。 (2)用刚体转动法测定物体的转动惯量。 (3)验证转动定律及平行轴定理。 (4}分析突验中误差产生的原因和实验中为降低误差应采取的实验手段。 【实验仪器】 1、滑轮;2、滑轮高度和方向调节组件;3、挂线;4、塔轮组;5、铝质圆盘形实验样品，转轴位置可为样品上任意圆孔;6、样品固定螺母;7、祛码盘;8、磁钢，相对霍尔开关传感器时，传感器输出低电平;9、霍尔开关传感器，红线接毫秒仪+5V接线柱，黑线接GND接线柱，黄线接INPUT接线柱;1 0、传感器固定架装有磁钢，可任意放置于铁质底盘上;11、实验样品水平调节旋钮;1 2、毫秒仪次数预置拔码开关，可预设1一6 4次;13、 次数显示，。00为开始计数、计时;14、时间显示，与次数相对应，时间为开始计时的累计时间;15、计时结束后，用手按+1查阅健，查阅对应次数的时间; 16、毫秒仪复位健，测量前和重新测量时可按该键。17、十5V电源接线柱;18、电源GND(地)接线柱19、INPUT输入接线柱;2 0、输入低电平指示;2 1、计时结束后，用手按次数-1查阅键，查阅对应次数的时间。 【实验原理】 1、转动力矩、转动惯量和角加速度的关系。 当系统受外力作用时，系统作匀加速转动。系统所受的外力矩有二个，一个为绳子张力 ,T产生的力矩M=Tr，r为塔轮上绕线轮的半径，M为摩擦力矩。 所以， M+MJ,,,2 (1 ) 即TMJr，,,,2 式中为系统的角加速度，此时为正值，J为转动系统的转动惯量，为摩擦力矩数M,,2 mgTma,,值为负。由牛顿第二定律可知，设砝码m下落时的加速度为a，则运动方程为， 绳子张力为T， Tmgr,,(),2 式中g为重力加速度，为系统的角加速度，r为塔轮上绕线轮的半径。 ,2 使系统作角加速度为 当砝码与绕线塔轮脱离后，此时砝码力矩M=0。，摩擦力矩M,,1 的减速运动，数值为负。则运动方程为 MI,, (2) ,1 由方程(1)和方程{2}解得 mgrJJ(),，,,,,212 mrgr(),,2即 J, (3) ,,,21 2角加速度的测量 设转动体系统在t,0时刻初角速度为，角位移为0， 转动t时间后，其角位移，,,0 ,转动中角加速度为， 12则 (4) ,，,,,tt02 若测得角位移，与相应的时间则得 tt,,,,,1212 12 (5) ,,,,，tt10112 12 (6) ,,,,，tt20222 2(tt)2(tt),,,,,,21122112所以 (7) ,,,22tttttt(tt),,12121221 2,4,,实验时，角位移可取为，等等，实验转动系统转过角位移，计数计6,,,,,12 时毫秒仪的计数窗内计数次数为+1。计数为0作为角位移开始时刻，实际记录转过角位,移的时间，是计算转过角位移的时刻减去作为开始时刻的角位移，应用上述公式(7)，得, 到角加速度。 , 在求角加速度:时，注意砝码挂线与绕线塔轮脱离的时刻，以其下一时刻作为角位移起始时刻，计算角位移时间时，减去该角位移开始时刻，在该时间段系统角加速度为负，作角减速度角位移。 3、线性回归法侧量角加速度 用多功能计数计时毫秒仪测量角位移时，(,)测出有外力矩作用下承物台转过角位移 时所需的时间、 (2)砝码挂线和绕线塔轮分开后(M=,)，角位移,,,......tt......t1,2n1,2n ///////,时所需果的时间，算出角加速度和。 ,,,,......t,t......t,12n12n 在系统转动过程中〔即采集数据的时间内)摩擦力矩M基本不变，系统作匀变速运, 动，有如下运动方程: 12 (8) ,，,,,tt02 ,1即 (9) ,，t,,0t2 式中，为记录系统角位移开始时刻的初角速度，t为它转过角速度所需要的时间用,,0 计数计时毫秒仪进行测量:所对应的时间 。 123,,,,、、、...nttt......t、、、123n ,, 把作为y, t作x,进行回归运算，由斜率可算出角加速度，利用同样方法测得角减速度t / 。砝码质量m和塔轮直径2r都是已知值。利用式(2)和式(3)可算得摩擦力矩M和转动,,惯量J 4、转动惯量J 的理论公式 1.设圆形试件，质量分布均匀，总质量为M，其对中心轴的转动惯量为J，外径为D，1内径 为D， 2 122则 (10) (D+D)JM,128 2、平行移抽定理:设转动体系的转动惯量为J，当有M的部分质量远离转轴平行移动d01 的距离后，则体系的转动惯量增为: 2 J=Jo+Md(11) 1 【实验内容】 必做部分 ,、以铝盘中心孔安装铝盘，组成转动系统，测量在砝码力矩作用下角加速度β:和砝码挂1线脱离后角加速度β。测量系统的转动惯量J。可测多次求平均值。 21 ,、以铝盘作为载物台，加载环形钢质实验样品，测量在砝码力矩作用下角加速度β:1 和砝码挂线脱离后角加速度β，由(,)式算得J，则环形钢质实验样品转动惯量22 。可测多次求平均值。 JJJ,,321 选做部分 3、验证平行轴定理: 以铝盘偏心孔d=3.0、4.0、5.0cm为转轴，记录数据后，用Excel软件数据处理，测量在砝码力矩作用下角加速度:和砝码挂线脱离后角加速度。由(,)式算得，计算转,,J124动系统铝盘偏心安装后其转动惯量的增量，根据平行轴定理，则铝盘中心离转轴平行移动d /2的距离后，则系统转动惯量增量为 JMd,5 //因此，实验值与理论值比较，计算相对误差。 JJJ,，415 4. 线性回归法测量角加速度 用多功能计数计时毫秒仪测量时，(,)测出有外力矩作用下承物台转过角位移,,,......时所需的时间tt......t、 (2)砝码挂线和绕线塔轮分开后(M=,)，角位移1,2n1,2n ,//////时所需果的时间，把作为y, t作x,进行回归运算，由斜率可算出角,,,,......t,t......t12n12nt /,加速度和角减速度。利用式(2)和式(3)可算得摩擦力矩和转动惯量J。 M,, 测转动体系角加速度的步骤如下: ,,、12 1、放置仪器，滑轮1置于实验台外3一4cm，调节仪器水平，设置毫秒仪计数次数。 2、连接传感器与计数计时毫秒仪。红线接+5V接线柱，黑线接GND接线柱，黄线接INPUT接线柱。 3、调霍尔传感器9与磁钢8间距为0.4—0.6cm，转离磁钢，复位毫秒仪，转动到磁钢与霍尔传感器9相对时，毫秒仪低电平指示灯亮，开始计数和计时。 4、将质量为m=50g的砝码挂线的一端打结，沿塔轮上开的细缝塞入，并整齐地绕于半径为r塔轮。 ,、调节滑轮I的方向和高度，使挂线与绕线塔轮相切，挂线与绕线轮的中间呈水品平。 ,、释放砝码，砝码在重力作用下带动转动体系作加速度转动。 ,、计数计时毫秒仪的记录系统从0,开始作1,,、2……角位移相应的时刻。 【注意事项】 ,、正确连接霍尔开关传感器组件和毫秒仪。 ,、霍尔传感器9放置于合适的位置，当系统转过约,/2角位移后，、毫秒仪开始计数计时。 ,、挂线长度以挂线脱离绕线塔轮后，砝码离地3厘米左右为宜。 ,、实验中，在码挂线脱离绕线塔轮前转动体系作正加速度β,在砝码挂线脱离塔轮后转动2 体系作负加速度β，须分清正加速度β，到负加速度β的计时分界时刻。 121 ,、数据处理时，系统作负加速度β的开始时刻，可以选为分界处的下一时，角位移时间1 须减去该时刻。 ,、实验中，砝码置于相同的高度后释放，以利数据一致。 7、铁环质量M=204,、外径D=9.50 cm,内径D=6.50 cm ，砝码质量m=50,,绕线半径121 r=2.0cm 附录二 计数计时毫秒仪使用说明 MS一1， MS一2系列计数计时毫秒仪采用单片机作主件，其具有测量时间、周期准确度高、重复性好的优点。特别是没有第一个周期的计时误差。自动地利用下降边沿触发开始计时和结束计时。是物理实验中的基本测量仪器。可应用于(集成霍尔传感器与简谐振动实验仪中)测量弹簧的振动周期、(在单摆实验中)测量单摆的振动周期、(在磁阻尼和动摩擦系数定仪中)测量滑块匀速下滑的时间,(在三线摆实验中)测量摆的振动周期，也可结合本厂生产的激光光电门，在气垫导管实验中进行速度测量，和本计时仪接口的传感器可以是集成霍尔开关传感器，也可以是光电门，备有+5V电源和信号输入接线柱，可作为上述传感器的电源和信号响应，实验输入信号是常态高电平，有效作用是由高电平向低电平的跳变，类似信号可多组并联接入，计时时间按次数关后可查阅，分别读出对应输入信号的时间，直至保存到按复位钮，因此实验数据采集处理准确而方便。 使用方法 1、接通电源，打开位于仪器后盖板上的电源开关。 2、按RESET 钮，数码管显示:,, 00.000。 3、按拨码开关上的+或,钮，设定计数预置次数。 4、连接相应的传感器，传感器常态为高电平，有效偷出信号为TTL低电平。此时仪器面板低电平指示亮。 5、多功能毫秒仪输入端由高电平向低电平跳变信号后，左窗口数码管显示:00，即开始计数，右窗口的数码管依lms递增，毫秒仪输入端如再由高电平向低电平跳变信号，左窗口数码管显示:01，右窗口的数码管仍依1ms递增，依次累推，直到左窗口数码管显示的数等于设定的次数，毫秒仪停止计时。 6、接查阅+或查阅,可以查阅由计时仪开始计时到相应时刻(对应输入端由高电平向低电平跳变次数)所计的时间 。 7、如需要再测量，按RESET 钮，即可重复上述工作过程，改变设定次数后，又按RESET。