大学物理实验报告

大学物理实验报告

专业班级：自动化0222

姓名：*******

学号：08033333333

日期：2009.11.28

实验设计思想和实现方法

（1）基本原理

转动惯量的测量，基本实验方法是转换测量，使物体以一定的形式运动，通过表征这种运动特征的物理量与转动惯量的关系，进行转换测量。

实验中采用扭摆法测量不同形状物体的转动惯量，就是使物体摆动，测量摆动周期，通过物体摆动周期T 与转动惯量I 的关系k

I

T π

2=来测量转动惯量。 （2）间接比较法测量，确定扭转常数K 已知标准物体的转动惯量I 1，被测物体的转动惯量I 0；被测物体的摆动周期T 0，标准物体的摆动周期T 1。通过间接比较法可测得

2

0212

010T T T I I -=

也可以确定出扭转常数K

2

0211

2

4T T I k -=π

定出仪器的扭转常数k 值，测出物体的摆动周期T ，就可计算出转动惯量I 。

（3）“对称法”验证平行轴定理

平行轴定理：若质量为m 的物体（小金属滑块）绕通过质心轴的转动惯量为I 0时，当转轴平行移动距离x 时，则此物体的转动惯量变为I 0+mx 2。为了避免相对转轴出现非对称情况，由于重力矩的作用使摆轴不垂直而增大测量误差。实验中采用两个金属滑块辅助金属杆的对称测量法，验证金属滑块的平行轴定理。这样，I 0为两个金属滑块绕通过质心轴的转动惯量，m 为两个金属滑块的质量，杆绕摆轴的转动惯量I 杆，当转轴平行移动距离x 时（实际上移动的是通过质心的轴），测得的转动惯量

I ＝I 杆+I 0+mx 2

两个金属滑块的转动惯量

I x ＝I －I 杆＝I 0+mx 2

（4）光电转换测量周期

光电门和电脑计数器组成光电计时系统，测量摆动周期。光电门（光电传感器）由红外发射管和红外接受管构成，将光信号转换为脉冲电信号，送入电脑计数器测量周期（计数测量时间）。

扭摆的构造

1－垂直轴，2－蜗簧，3－水平仪

一．实验目的

1. 学习用扭矩摆法测定物体转动惯量的基本原理。

2. 熟悉掌握TH-I型智能转动惯量实验仪的原理、使用方法。

二．实验仪器

扭摆、转动惯量测试仪、金属载物盘、塑料圆柱体、金属细杆、天平、砝码、游标卡尺、钢尺。

1．扭摆及几种有规则的待测转动惯量的物体

实心塑料圆柱体、验证转动惯量平行轴定理用的金属细杆，杆上有两块可以自由移动的金属滑块。

2．转动惯量测试仪

由主机和光电传感器两部分组成。

主机采用新型的单片机作控制系统，用于测量物体转动和摆动的周期，以及旋转体的转速，能自动记录、存贮多组实验数据并能够精确地计算多组实验数据的平均值。

光电传感器主要由红

外发射管和红外接收管组

成，将光信号转换为脉冲电

信号，送入主机工作。因人

眼无法直接观察仪器工作是

否正常，但可用遮光物体往

返遮挡光电探头发射光束通

路，检查计时器是否开始计

时和到预定周期数时，是否

停止计时。为防止过强光线

对光探头的影响，光电探头不能置放在强光下，实验时采用窗帘遮光，确保计时的准确。

TH-I型智能转动惯量实验仪的使用方法：

（1）调节光电传感器在固定支架上的高度，使被测物体上的挡光杆能自由地通过光电门，再将光电传感器的信号传输线插入主机输入端（位于测试仪背面）。

（2）开启主机电源，“摆动”指示灯亮，参量指示“P1”、数据显示为“一―――”。

（3）本机默认设定扭摆的周期数为10，如要更改，按“置数”键，显示“n＝10”，按“上调”键，周期数依次加1，按“下调”键，周期数依次减1，周期数只能在1~20范

围内任意设定，再按“置数”键确认，显示“F1 end ”，周期数一旦予置完毕，除复位和再次置数外，其它操作均不改变予置的周期数，但更改后的周期数不具有记忆功能，一旦切断电源或按“复位”键，便恢复原来的默认周期数。

（4）按“执行”键，数据显示为“000.0”，表示仪器己处在等待测量状态，此时，当被测的往复摆动物体上的挡光杆第一次通过光电门时，仪器即开始连续计时，直至仪器所设定的周期数时，便自动停止计时，由“数据显示”给出累计的时间，同时仪器自行计算周期C1予以存贮，以供查询和作多次测量求平均值，至此，P1（第一次测量）测量完毕。

（5）按“执行”键，“P1”变为“P2”，数据显示又回至“000.0”，仪器处在第二次待测状态，本机设定重复测量的最多次数为5次，即（P1，P2…P5）。通过“查询”键可知多次测量的周期值Ci ，（i=1，2…5）以及它的平均值“CA ”。

3. 数字式电子台秤

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。本实验所用的台秤，称量为1.999kg ，分度值为1g ，仪器误差为1g 。使用前应检查零读数是否为“0”。若显示值在空载时不是“0”值，可以调节台秤右侧方的手轮，使显示值为“0”。物体放在称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 ）,最后一位出现±1的跳动属正常现象。

4．游标卡尺

三．实验原理

扭摆的构造如图（1）所示，在垂直轴1上装有一根薄片状的螺旋弹簧2，用以产生恢复力矩。在轴的上方可以装上各种待测物体。垂直轴与支座间装有轴承，以降低磨擦力矩。3为水平仪，用来调整系统平衡。

将物体在水平面内转过一角度θ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θ成正比，即

M ＝－K θ （1） 式中，K 为弹簧的扭转常数，根据转动定律 M ＝I β

式中，I 为物体绕转轴的转动惯量，β为

角加速度，由上式得

（2） 图 （1）

令 ,忽略轴承的磨擦阻力矩，由式（1）、（2）得

上述方程表示扭摆运动具有角简谐振动的特性，角加速度与角位移成正比，且方向相反。此方程的解为：

I

M

=βθωθθβ222I

K dt d -=-==I

K

2

=

ω