用气垫转盘验证刚体转动定律 基础物理实验5

基础物理实验5
用气垫转盘验证刚体转动定律
南开大学基础物理实验教学中心 基础物理实验室
实验目的
了解气垫转盘的性能、结构特点、使用方 法及维护知识； 观察刚体的定轴转动，学会一种角加速度 的测量方法； 验证刚体转动定律； 用对立影响法消除零转引起的系统误差。
实验原理
绕固定轴转动的刚体，其所受外力矩与该力矩作用下所产生 的角加速度成正比 ：
τ = Iα
假定动盘圆柱直径为 D1，则外力矩：
τ = Iα ≈ mgD1
分别测量动盘转动一周和两周的时间，联立方程：
θ1 = 2 π = ω0t1 + α t12 / 2
θ 2 = 4 π = ω0t 2 + α t / 2
2 2
可得角加速度： α =
4 π(2 / t 2 − 1 / t1 ) t 2 − t1
实验内容
改变砝码质量，测出动盘在不同外力矩下绕 定轴转动的角加速度，作τ − α 曲线，若该曲 线为一直线，则证明刚体转动定律成立,且直 线的斜率即为刚体绕固定轴的转动惯量。
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气垫转盘的使用
气垫转盘使用前应调节水平。方法是：取下动盘，接通气源，将水平校 准盘（中心压一重物）置于气室上表面中央，调节底脚螺丝使校准盘稳 定地飘浮于气室中央，或其各质点绕定盘内侧空腔四壁均匀而缓慢地作 滚轮线运动，且改变旋轮方向时其运动方式不变。 气垫滑轮的调节。气垫滑轮的调节包括两项内容：其一，使气垫滑轮在 空载情况下运转自如，且无附加力矩。方法是：先调节滑轮两端定位圈， 使与滑轮间隙约；再调节滑轮高度及轴向水平，使细线与动盘平面水平； 取下细线，在高度及水平程度不变的前提下，旋转滑轮的方向，直至滑 轮在空载情况下能正、反两个方向保持惯性运动状态或相对静止。其二， 动盘顺时针或逆时针运动时，都应首先旋动滑轮支架，使软细线与滑轮 轴向垂直。
注意事项
未开气源，动盘不得人为地在气室表面摩擦 转动，气室、气垫滑轮及诸连接管道均不得 漏气； 实验前，应调节气室上表面水平等，使处于 正常状态，且调好后不得随意挪动； 整个实验过程中要求气压稳定不变；
思考题
如何改变转盘所受力矩？为什么必须在两个 砝码盘内加等量砝码？
试分析本实验产生误差的主要原因。