实验2刚体转动惯量的测量［预习思考题］1. 实验中的刚体转动惯量实验仪是由哪几部分组成的？2. 实验中可以通过什么方法改变转动力矩？3. 实验中刚体转动过程的角加速度如何测得？转动惯量是描述刚体转动中惯性大小的物理量，对于绕定轴转动的刚体，它为一恒量，以J表示，即J八miri2i式中，mi为刚体上各个质点的质量，ri为各个质点至转轴的距离由此可见，物体的转动惯量J与刚体的总质量、质量分布及转轴的位置有关对于几何形状规则、对称和质量分布均匀的刚体，可以通过积分直接计算出它绕某定轴的转动惯量对于形状复杂或非匀质的任意物体，则一般要通过实验来测定，例如，机械零件、电机的转子、炮弹等测定物体的转动惯量有多种实验方法，主要分为扭摆法和恒力矩转动法两类本实验介绍用塔轮式转动惯量仪测定的方法，是使塔轮以一定形式旋转，通过表征这种运动特征的物理量与转动惯量的关系，进行转换测量该方法属于恒力矩转动法转动惯量是研究、设计、控制转动物体运动规律的重要参数，实验测定刚体的转动惯量具有十分重要的意义，是高校理工科物理实验教学大纲中的一个重要基本实验一、实验目的1. 学习用转动惯量仪测定刚体的转动惯量2. 研究作用于刚体上的外力矩与角加速度的关系。
3. 验证转动定律及平行轴定理二、实验仪器IM—2刚体转动惯量实验仪及其附件（霍尔开关传感器、砝码等）和MS—1型多功能数字毫秒仪三、仪器介绍1.滑轮2.滑轮高度和方向调节组件3•挂线4•塔轮组5•铝质圆盘承物台6•样10.传感器固定架11.实验样品水平品固定螺母7.砝码8.磁钢9.霍尔开关传感器调节旋钮（共3个）12.毫秒仪次数预置拨码开关，可预设1-64次13.次数显示屏14.时间显示屏15.次数+1查阅键16.毫秒仪复位键17.+5V电源接线柱18.电源GND（地）接线柱19.INPUT输入接线柱20.输入低电平指示21.次数-1查阅键图4-3-1IM-2刚体转动惯量实验仪和MS—1型多功能数字毫秒仪结构示意图IM-2刚体转动惯量实验仪主要由绕竖直轴转动的铝质圆盘承物台、绕线塔轮、霍尔开关传感器、磁钢、滑轮组件、砝码等组成样品放置在铝质圆盘承物台上，承物台上有许多圆孔，可用于改变样品的转轴位置绕线塔轮是倒置的塔式轮，分为四层，自上往下半径分别为3cm、2.5cm、2cm、1.5cm磁钢随转动系统转动，每半圈经过霍尔开关传感器一次，传感器输出低电平，通过连线送到多功能数字毫秒仪传感器红线接毫秒仪+5V电源接线柱，黑线接电源GND（地）接线柱，黄线接INPUT输入接线柱。
MS-1型多功能数字毫秒仪通过预置拨码开关预置实验所需感应次数每轮实验开始前通过复位键清0,直到输入低电平信号触发计时开始，次数显示屏从0次开始计时，直至达到预置次数停止计时停止后，方能查阅各次感应时间四、实验原理1. 任意样品的转动惯量测定设转动惯量仪空载（不加任何样品）时的转动惯量为J1,称为系统的本底转动惯量,转动惯量仪负载（加上样品）时的转动惯量为J2,根据转动惯量的可加性，贝U样品的转动惯量Jx为Jx=J2-J12. 系统的转动惯量测定1）刚体的转动定律冈I」体绕定轴转动时，刚体的角加速度与它所受的合外力矩成正比，与刚体的转动惯量成反比，这个关系称为刚体的转动定律MJ利用转动定律，测得刚体转动时的合外力矩及该力矩作用下的角加速度，则可计算出刚体的转动惯量，这是恒力矩转动法测定转动惯量的基本原理和设计思路2）应用转动定律求转动惯量改变砝码的质量或改变塔轮的半径,塔轮的转动是由挂线加上砝码通过滑轮带动的可以获得不同的转动力矩以满足实验需要给系统加一个外力矩，即加适当的砝码，在重力的作用下，砝码会通过挂线带动塔轮作匀加速转动该系统的受力分析如图所示此时系统所受合外力矩有两个，一个为绳子张力T产生的力矩M二Tr（r为塔轮上绕线轮的半径），一个为摩擦力矩M由转动定律得TrM!-J：（4-3-1）式中1为加速过程系统的角加速度，此时为正值，J为转动系统的转动惯量，M」为摩擦力矩，数值为负。
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mg-T=ma因为a二r1，则绳子张力T为T=m（g-r：）（4-3-2）当连接砝码的挂线脱离塔轮后，系统所受张力T=0，故外力矩M=0，此时系统只受摩擦力矩M」的作用，作匀减速转动根据转动定律得M」=J：（4-3-3）式中一为减速过程系统的角加速度，此时为负值式中，m、g、由式（4-3-1）、式（4-3-2）、式（4-3-3）解得,mr（g-r：）J_---（4-3-4）利用以上方法，分别可测得空载及负载时系统的转动惯量r都是已知或是可以直接测量的物理量，关键在于如何测定角加速度3）:和；的测量设转动体系统在t=0时刻初角速度为；.-?0，角位移为0,转动t时间后，其角位移,转动中角加速度为［，则若测得角位移哥，所以1v—ott22二2，与相应的时间t1，t2，得、1肚2-otitl22二2--0t2t22p_2(日2上1一日112)_2(日2上1一心1上2)tzil-til?址2&-tj(4-3-5)(4-3-6)■:角位移，计数实验时，角位移》,二2可取为2二、4二…等，实验转动系统转过计时毫秒仪的计数窗内计数次数+1计数为0作为角位移开始时刻，实时记录转过二角位移的时刻，计算角位移时间时应减去角位移开始时刻，应用上述公式（4-2-6）,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4）验证平行轴定理将已知质量为M、转动惯量为J的物体依次插入承物台上与轴心相距2d=0,a,2a/的小孔，测出Jx，作Jx-d曲线，若为直线便验证了平行轴定理2J=J0Md（4-3-7）1. 五、实验内容测量前的准备工作，具体操作如下：1）合理放置仪器，滑轮置于实验台外3-4cm，调节仪器水平；2）连接传感器与计数计时毫秒仪；3）将砝码连线的一端打结，沿塔轮上开的细缝塞入（任选一层挂线，结头在下），另一端绕过定滑轮垂下砝码，调节滑轮的方向和高度，使挂线与绕线塔轮相切，挂线与绕线轮的中间呈水平；4）转动铝盘绕线（务必使得绕线整齐，减少摩擦），将砝码提升到一定高度，调整霍尔传感器探头与一磁钢相对，间距为0.3-0.5cm，可见毫秒仪低电平指示灯亮；5）复位毫秒仪，转动铝盘缓慢放线，直到挂线与塔轮恰好脱离时即刻停止，此时次数显示屏上所显次数即为加速过程与减速过程的分界处，根据分界处设定加速过程的三个时间点（保证小于分界时刻），减速过程的三个时间点（保证大于分界时刻），根据选取的时间点设定预置次数（大于等于最大时间点），并填入表格表头部分。
2. 测量空载时转动系统的转动惯量J1在空载的情况下，重复挂线t绕线t复位毫秒仪t释放砝码t查阅相应时间点t记录数据的实验过程，要求测量10组左右的数据，从中选取较为稳定的五组填入表格13. 测量加载钢环时转动系统的转动惯量J2将金属钢环置于承物台上，使其转动轴位于圆心位置，重复挂线T绕线T复位毫秒仪T释放砝码T查阅相应时间点T记录数据的实验过程，要求测量10组左右的数据，从中选取较为稳定的五组填入表格24. （选做部分）以金属盘偏心孔d=3.0,4.0,5.0cm为转轴，重复以上步骤，求出相应的Jx，作Jx-d2曲线，验证平行轴定理，Jx=JoMd21. 六、注意事项实验中，砝码置于相同的高度后释放，以利数据一致实验中，做好保护措施，防止砝码直接砸落地板引起磨损2. 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，砝码置于相同的高度后释放，以利数据一致霍尔传感器放置于合适的位置固定不动，每次绕线到相同高度，保证指示灯亮，按下RESET键，以0初速度释放砝码从指示灯亮到刚灭，系统转过约二角位移后，毫秒仪开始计数计时实验中，在砝码挂线脱离绕线塔轮前转动体系作正加速度1,在砝码挂线脱离塔轮后转动体系作负加速度匚，须分清正加速度1到负加速度1'的计时分界时刻。
七、数据处理根据实验要求，将有关数据填入对应表格中，按所学的理论对数据进行处理选择r=m进行绕线，分界处为;选择时间点：加速过程选、、，减速过程选、、；预置次数定为刚体转动惯量数据处理表表格1：曲加速时间点减速时间点S8(radS2)$r(radS2)Jt12341"表格2；加速时间点减速时间点t2/St3/s&(radS2)0r(radS1)J2(g*™2)12345222Ji=gm,J2=gm,J3=gm2•••理论值J3‘=0.3379gm•••相对误差E=%1. ［课后思考题］挂线的长度太短会如何，太长又会如何，应怎样调整？2. 用该刚体转动惯量仪来测刚体的转动惯量，其主要误差有哪些？应如何消除或减小?。