恒力矩转动法测刚体转动惯量

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1、恒力矩转动法测刚体转动惯量恒力矩转动法测刚体转动惯量转动惯量是刚体转动中惯性大小的量度。它取决于刚体的总质量，质量分 布、形状大小和转轴位置。对于形状简单，质量均匀分布的刚体，可以通过数 学方法计算出它绕特定转轴的转动惯量，但对于形状比较复杂，或质量分布不 均匀的刚体，用数学方法计算其转动惯量是非常困难的，因而大多采用实验方 法来测定。 转动惯量的测定，在涉及刚体转动的机电制造、航空、航天、航海、军工 等工程技术和科学研究中具有十分重要的意义。测定转动惯量常采用扭摆法或 恒力矩转动法，本实验采用恒力矩转动法测定转动惯量。 一、实验目的一、实验目的 1、学习用恒力矩转动法测定刚体转动惯量的原理和

2、方法。 2、观测刚体的转动惯量随其质量，质量分布及转轴不同而改变的情况，验证平 行轴定理。 3、学会使用智能计时计数器测量时间。 二、实验原理二、实验原理 1、恒力矩转动法测定转动惯量的原理 根据刚体的定轴转动定律： JM （1） 只要测定刚体转动时所受的总合外力矩 M 及该力矩作用下刚体转动的角加 速度 ，则可计算出该刚体的转动惯量 J。 设以某初始角速度转动的空实验台转动惯量为 J1，未加砝码时，在摩擦阻 力矩 M的作用下，实验台将以角加速度 1作匀减速运动，即：11JM（2） 将质量为 m 的砝码用细线绕在半径为 R 的实验台塔轮上，并让砝码下落， 系统在恒外力作用下将作匀加速运动。若砝

3、码的加速度为 a，则细线所受张力 为 T= m (g a)。若此时实验台的角加速度为 2，则有 a= R2。细线施加给实 验台的力矩为 T R= m (g R2) R，此时有：212)(JMRRgm（3） 将（2） 、 （3）两式联立消去 M后，可得：122 1)( RgmRJ （4） 同理，若在实验台上加上被测物体后系统的转动惯量为 J2，加砝码前后的 角加速度分别为 3与 4，则有：344 2)( RgmRJ （5） 由转动惯量的迭加原理可知，被测试件的转动惯量 J3为：123JJJ（6） 测得 R、m 及 1、2、3、4，由（4） ， （5） ， （6）式即可计算被测试件的 转动惯量。

4、2、 的测量 实验中采用智能计时计数器计录遮挡次数和相应的时间。固定在载物台圆周边缘相差 角的两遮光细棒，每转动半圈遮挡一次固定在底座上的光电门， 即产生一个计数光电脉冲，计数器计下遮档次数 k 和相应的时间 t。若从第一 次挡光（k=0，t=0）开始计次，计时，且初始角速度为 0，则对于匀变速运动 中测量得到的任意两组数据（km，tm） 、 （kn，tn） ，相应的角位移 m、n分别为：2 021mmmmttk (7)2 021nnnnttk (8) 从（7） 、 （8）两式中消去 0，可得：nmmnnmmn tttttktk22)(2 （9） 由（9）式即可计算角加速度 。 3、平行轴定理

5、 理论分析表明，质量为 m 的物体围绕通过质心 O 的转轴转动时的转动惯量 J0最小。当转轴平行移动距离 d 后，绕新转轴转动的转动惯量为：2 0dmJJ（10）图 1 转动惯量实验组合仪 三、转动惯量实验组合仪简介三、转动惯量实验组合仪简介 1、ZKY-ZS 转动惯量实验仪 转动惯量实验仪如图 1 所示，绕线塔轮通过特制的轴承安装在主轴上， 使转动时的摩擦力矩很小。塔轮半径为 15，20，25，30，35mm 共 5 挡，可与 大约 5g 的砝码托及 1 个 5g，4 个 10g 的砝码组合，产生大小不同的力矩。载 物台用螺钉与塔轮连接在一起，随塔轮转动。随仪器配的被测试样有 1 个圆 盘，

6、1 个圆环，两个圆柱；试样上标有几何尺寸及质量， 便于将转动惯量的测试值与理论计算值比较。圆柱试样可插入载物台上的不同孔，这些 孔离中心的距离分别为 45,60,75,90,105mm，便于验证平行轴定理。铝 制小滑轮的转动惯量与实验台相比可忽略不记。一只光电门作测量，一只作 备用，可通过智能计时计数器上的按钮方便的切换。 四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤 1、实验准备 在桌面上放置 ZKY-ZS 转动惯量实验仪，并利用基座上的三颗调平螺钉，将 仪器调平。将滑轮支架固定在实验台面边缘，调整滑轮高度及方位，使滑轮槽 与选取的绕线塔轮槽等高，且其方位相互垂直，如图 1 所示。并且用数据线将 智

7、能计时计数器中 A 或 B 通道与转动惯量实验仪其中一个光电门相连。 2、测量并计算实验台的转动惯量 J1 （1）测量 1 上电开机后 LCD 显示“智能计数计时器 成都世纪中科”欢迎界面延时一 段时间后，显示操作界面： 1、选择“计时 12 多脉冲” 。2、选择通道，A 或 B。 3、用手轻轻拨动载物台，使实验台有一初始转速并在摩擦阻力矩作用下作 匀减速运动。 4、按确认键进行测量。 5、载物盘转动 15 圈后按确认键停止测量。 6、查阅数据，并将查阅到的数据记入表 1 中； 采用逐差法处理数据，将第 1 和第 5 组，第 2 和第 6 组,分别组成 4 组， 用（9）式计算对应各组的 1值

8、，然后求其平均值作为 1的测量值。 7、按确认键后返回“计时 12 多脉冲”界面。 （2）测量 2 1、选择塔轮半径 R 及砝码质量，将 1 端打结的细线沿塔轮上开的细缝塞入， 并且不重叠的密绕于所选定半径的轮上，细线另 1 端通过滑轮后连接砝码托上 的挂钩，用手将载物台稳住； 2、重复（1）中的 2、3、4 步 3、释放载物台，砝码重力产生的恒力矩使实验台产生匀加速转动； 记录 8 组数据后停止测量。查阅、记录数据于表 1 中并计算 2的测量 值。 由（4）式即可算出 J1的值。 3、测量并计算实验台放上试样后的转动惯量 J2 ，计算试样的转动惯量 J3 并与 理论值比较 将待测试样放上载物

9、台并使试样几何中心轴与转轴中心重合，按与测量 J1 同样的方法可分别测量未加法码的角加速度 3与加砝码后的角加速度 4。由 （5）式可计算 J2的值，已知 J1 、J2 ，由（6）式可计算试样的转动惯量 J3 。 已知圆盘、圆柱绕几何中心轴转动的转动惯量理论值为： 2 21mRJ （11） 圆环绕几何中心轴的转动惯量理论值为： 22 2内外RRmJ （12） 计算试样的转动惯量理论值并与测量值 J3 比较，计算测量值的相对误差：%1003JJJE （13） 4、验证平行轴定理 将两圆柱体对称插入载物台上与中心距离为 d 的圆孔中，测量并计算两圆 柱体在此位置的转动惯量。将测量值与由（11） 、

10、 （10）式所得的计算值比较， 若一致即验证了平行轴定理。 数据记录表格与测量计算实例数据记录表格与测量计算实例 表 1 测量实验台的角加速度 匀减速匀加速 R塔轮= m砝码= k1234k1234t (s)t (s)k5678k5678t (s)平 均t (s)平 均1 (1/s2)2 (1/s2)表 2 测量实验台加圆环试样后的角加速度 R外= R内= m圆环= 匀减速匀加速 R塔轮= m砝码= kk1234t (s)t (s)kk5678t (s)平 均t (s)平 均3 (1/s2)4 (1/s2) 表 3 测量两圆柱试样中心与转轴距离 d= 时的角加速度 R圆柱= m圆柱2 = 匀减

11、速匀加速 R塔轮= m砝码= k1234k1234t (s)t (s)k5678k5678t (s)平 均t (s)平 均3 (1/s2)4 (1/s2)1、将表 1 中数据代入（4）式可计算空实验台转动惯量 J1= kgm2 2、 将表 2 中数据代入（5）式可计算实验台放上圆环后的转动惯量 J2= kgm2 由（6）式可计算圆环的转动惯量测量值 J3= kgm2 由（12）式可计算圆环的转动惯量理论值 J = kgm2 由（13）式可计算测量的相对误差 E = 3、 将表 3 中数据代入（5）式可计算实验台放上两圆柱后的转动惯量 J2= kgm2 由（6）式可计算两圆柱距轴心为 d 时的转

12、动惯量测量值 J3= kgm2由（11） 、 （10）式可计算两圆柱距轴心为 d 时的转动惯量理论值 J = kgm2 由（13）式可计算测量的相对误差 E = 4对平行轴定理加以讨论。注意事项：注意事项： 1 一定先将仪器调平。 2 测匀减速时初速度要小。 3 拉力一定与塔轮相切。选作：选作： 理论上，同一待测样品的转动惯量不随转动力矩的变化而变化。改变塔轮半径 或砝码质量（五个塔轮，五个砝码）可得到 25 种组合，形成不同的力矩。可改 变实验条件进行测量并对数据进行分析，探索其规律，寻求发生误差的原因， 探索测量的最佳条件。附件：智能计时计数器简介及技术指标 （1 1）主要技术指标：）主要

13、技术指标： 时间分辨率（最小显示位）为 0.0001 秒，误差为 0.004。最大功耗 0.3W （2）智能计时计数器简介）智能计时计数器简介 智能计时计数器配备一个9V 稳压直流电源。 智能计时计数器：9V 直流电源输入段端；122 X 32 点阵图形 LCD；三个操 作按钮：模式选择模式选择/查询下翻按钮查询下翻按钮、项目选择项目选择/查询上翻按钮查询上翻按钮、确定确定/开始开始/停止停止 按钮按钮；四个信号源输入端，两个 4 孔输入端是一组，两个 3 孔输入端是另一 组，4 孔的 A 通道同 3 孔的 A 通道同属同一通道，不管接那个效果一样，同 样 4 孔的 B 通道和 3 孔的 B

14、通道统属同一通道。4孔输入端孔输入端 (主板座子主板座子) 3孔输入端（主板座子）孔输入端（主板座子） 电源接口（主板座子）电源接口（主板座子） （3）智能计时计数器操作：）智能计时计数器操作： 上电开机后显示“智能计数计时器 成都世纪中科”画面延时一段时间后， 显示操作界面： 上行为测试模式名称和序号，例：“1 计时 ”表示按模式选择/查询下 翻按钮选择测试模式。 下行为测试项目名称和序号，例：“11 单电门 ”表示项目选择/查询 上翻按钮选择测试项目。选择好测试项目后，按确定键,LCD 将显示“选 A 通道测量 ” ，然 后通过按模式选择/查询下翻按钮和项目选择/查询上翻按钮进 A 或 B

15、 通道的 选择，选择好后再次按下确认键即可开始测量。一般测量过程中将显示“测 量中*” ，测量完成后自动显示测量值，若该项目有几组数据，可按查询 下翻按钮或查询上翻按钮进行查询，再次按下确定键退回到项目选择界面。 如未测量完成就按下确定键，则测量停止，将根据已测量到的内容进行显示， 再次按下确定键将退回到测量项目选择界面。 注意注意：有有AB两通道，每通道都各有两个不同的插件（分别为电源两通道，每通道都各有两个不同的插件（分别为电源5V 的光电门的光电门4芯和电源芯和电源9V的光电门的光电门3芯）芯） ，同一通道不同插件的的关系是互斥，同一通道不同插件的的关系是互斥 的，禁止同时接插同一通道不

16、同插件。的，禁止同时接插同一通道不同插件。 AB 通道可以互换，如为单电门时，使用 A 通道或 B 通道都可以，但是尽 量避免同时插 AB 两通道，以免互相干扰。如为双电门，则产生前脉冲的光电 门可接 A 通道也可接 B 通道，后脉冲的当然也可随便插在余下那通道。 如果光电门被遮挡时输出的信号端是高电平，则仪器是测脉冲的上升前沿 间时间。如光电门被遮挡时输出的信号端是低电平，则仪器是测脉冲的上升后 沿间时间的。 模式种类及功能：模式种类及功能： 1 计时计时2 平均速度平均速度3 加速度加速度4 计数计数5 自检自检计数计数30 秒秒 60 秒秒3 分钟分钟手动手动自检自检光电门自检光电门自检测量信号输入：测量信号输入： 1 计时计时11 单电门，测试单电门连续两脉冲间距时间。 12 多脉冲，测量单电门连续脉冲间距时间，可测量 99 个