用三线摆测量转动惯量

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1、用三线摆测量转动惯量用三线摆测转动惯量转动惯量是刚体转动惯性的量度，它与刚体的质量分布和转轴的位置有 关。对于形状简单的均匀刚体，测出其外形尺寸和质量，就可以计算其转动惯 量。对于形状复杂、质量分布不均匀的刚体，通常利用转动实验来测定其转动 惯量。为了便于与理论计算值比较，实验中的被测刚体均采用形状规则的刚体。 一、实验目的1 .加深对转动惯量概念和平行轴定理等的理解；2 . 了解用三线摆测转动惯量的原理和方法；3 .掌握周期等量的测量方法二、实验仪器DHTC-1A三线摆实验仪、DHTC-3哆功能计时器、水准仪、卷尺、游标卡 尺、物理天平及待测物体等。三、实验原理一、三线摆介绍图1是三线摆示意

2、图。上、下圆盘 均处于水平，悬挂在横梁上。横梁由立 柱和底座（图中未画出）支承着。三根 对称分布的等长悬线将两圆盘相连。拨 动转动杆就可以使上圆盘小幅度转动， 从而带动下圆盘绕中心轴 O。/作扭摆 运动。当下圆盘的摆角8很小，并且忽略空气摩擦阻力和悬线扭力的影响时， 根据能量守恒定律或者刚体转动定律都 可以推出下圆盘绕中心轴O。/的转动 惯量J。为JomgRr4 2H。To(1)式中，mo为下圆盘的质量;r和R分别为上下揭工自而就的距离;Ho为平衡时上下圆盘间的垂直距离；To为下圆盘的摆动周期，g为重力加速度 阿克苏地区的重力加速度为 9.8oi5ms2。将质量为m的待测刚体放在下圆盘上，并使

3、它的质心位于中心轴O。/上测出此时的摆动周期T和上下圆盘间的垂直距离H ,则待测刚体和下圆盘对中 心轴的总转动惯量Ji为(2)(3)（m。 m）gRr T2Ji24 2H待测刚体对中心轴的转动惯量 J与J。和Ji的关系为J= J1-J0利用三线摆可以验证平行轴定理。平行轴定理指出：如果一刚体对通过质且相距为 d的另一转(4)图2二孔心的某一转轴的转动惯量为Jc,则这刚体对平行于该轴、 轴的转动惯量Jx为2 Jx=Jc +md式中，m为刚体的质量。实验时，将二个同样大小的圆柱体放置在对称 分布于半径为R1的圆周上的二个孔上，如图2所 示。测出二个圆柱体对中心轴 O。/的转动惯量Jx。 如果测得的

4、Jx值与由（4）式右边计算得的结果比 较时的相对误差在测量误差允许的范围内（05%）,则平行轴定理得到验证。四、实验任务1、用三线摆测定下圆盘对中心轴 o。/的转动惯量和圆柱体对其质心轴的 转动惯量。要求测得的圆柱体的转动惯量值与理论计算值（ J 1mr12，口为2圆柱体半径）之间的相对误差不大于 5%。2、用三线摆验证平行轴定理。五、实验注意事项1、测量前，根据水准泡的指示，先调整三线摆底座台面的水平，再调整 三线摆下圆盘的水平。测量时，摆角8尽可能小些，以满足小角度近似。防止 三线摆在摆动时发生晃动，以免影响测量结果。2、测量周期时应合理选取摆动次数。对三线摆，测得 R、r、m。和H。后,

5、 由（1）式推出J。的相对误差公式，使误差公式中的 2?T。/ T。项对？Jo/J。的影 响比其它误差项的影响小作为依据来确定摆动次数。估算时， ？m。取0.02g ,时间测量误差？1取0.03s , ?R、？r和？H0可根据实际情况确定 六、实验步骤 (bl)1悬盘边1、测量下圆盘的转动惯量 J0(1)测量上下圆盘悬点离各自圆盘中心的距离r和R;用游标卡尺测量上圆盘各悬点间距离bi、b2、b3；用游标卡尺测量下圆盘各悬点间距离ai、a2、a3；33则 r (b1 b2 4), R (a1 a2 a3)；99(2)测量上下圆盘之间的间距 H。；(3)测量并记录下圆盘的质量 mo和直径D;(4)

6、测量下圆盘摆动周期 To：将测量周期数置为60,轻轻旋转上圆盘，使 下圆盘作扭转摆动(摆角小于 5度)，记录数据见表1。r (cm)R (cm)H0 (cm)m0(g)D (cm)60个摆动周期总时间(s)平均时间t (s)平均周期T0(s)J0 然 %2 (kg.m2)1 (次)2 (次)3 (次)4 (次)5 (次)2 .测量下圆盘加圆环后的转动惯量J1(1)测量并记录圆环的质量 m1；(2)测量圆环的内直径和外直径 D1和D2；(3)测量上下圆盘之间的间距H;(4)测量加圆环后的摆动周期 T,并记录数据;表2m1(g)D1 (cm)D2 (cm)H (cm)60个摆动周期总时间(s)平均

7、时间t(s)平均周期T(s)J1 (m0 m)gRrT2 (kg.m2) 4 2H1 (次)2 (次)3 (次)4 (次)5 (次)3 .验证平行轴定理(1)测量圆柱体质量m；(2)测量圆柱体的半径r柱；(3)将两个质量均为 m的圆柱体按照下悬盘上的刻线对称地放置在悬盘 上，测量它们的间距为2d;(4)测量摆动周期Ti;表3m(g)r 柱(cm)d (cm)60个摆动周期总时间(s)平均时间t(s)平均周期T1(s)1 (次)2 (次)3 (次)4 (次)5 (次)七、实验数据处理1.下圆盘的转动惯量数据处理 圆盘转动惯量实验值：J0呼 To2 =4 2H0 圆盘转动惯量理论值:2,1 DJ0

8、 m0 22相对误差:Jo JoEr i00%J02 .圆环的转动惯量数据处理 下圆盘加圆环后的总转动惯量;(m。 mi )gRr 2J i2 T4 H圆环的转动惯量:J mi J i J 0圆环转动惯量理论值:122Jmi8mi(DiD2 )相对误差:ErJ ml J ml100%J ml3 .平行轴定理验证下圆盘加对称圆柱后总转动惯量:(mo 2m)gRr 2Ji2T i4 H一个圆柱的转动惯量：-J m 2 ( J - J0 )圆柱转动惯量理论值:md212一mr柱 2相对误差：J m J mEr 一 100%Jm八、思考题1、三线摆在摆动过程中要受到空气的阻尼，振幅会越来越小，它的周期 是否会随时间而变？2、在三线摆下圆盘上加上待测物体后的摆动周期是否一定比不加时的周 期大？试根据（1）式和（2）式分析说明之。3、如果三线摆的三根悬线与悬点不在上、下圆盘的边缘上，而是在各圆 盘内的某一同心圆周上，则（1）式和（2）式中的r和R各应为何值？4、证明三线摆的机械能为-Jo 2 ImgRr 2,并求出运动微分方程，从22 H而导出（1）式。#