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1、三线摆测定物体的转动惯量一 实验目的n1 掌握三线摆测定转动惯量的原理和方法n2 学会测量周期运动的周期。 n3 验证转动惯量的平行轴定理。 二 仪器和用具n三线摆，米尺，游标卡尺，秒表（或数字毫米计）， 待测物（圆盘,外型尺寸及质量相同的圆柱体两个）。n当下盘扭转振动，其转角很小时，其扭动是一个简谐振动，其运动方程的解为当摆离开平衡位置最远时，其重心升高h，根据机械能守恒定律有：即而将（ ）式代入（ ）式得三 实验原理从图4-3中的几何关系中可得简化得代入（ ）式得略去且取则有n 图1是三线摆实验装置的示意图。上、下圆盘均处于水平，悬挂在横梁上。三个对称分布的等长悬线将两圆盘相连。上圆盘固定
2、,下圆盘可绕中心轴OO作扭摆运动。当下盘转动角度很小，且略去空气阻力时，扭摆的运动可近似看作简谐运动。根据能量守恒定律和刚体转动定律均可以导出物体绕中心轴的转动惯量(推导过程见本实验附录)。 n式中各物理量的意义如下： 为下盘的质量；r,R分别为上下悬点离各自圆盘中心的距离； 为平衡时上下盘间的垂直距离； 为下盘作简谐运动的周期，g为重力加速度（在杭州地g=9.793m/s2）。 n将质量为m的待测物体放在下盘上，并使待测刚体的转轴与OO轴重合。测出此时下盘运动周期 和上下圆盘间的垂直距离H。同理可求得待测刚体和下圆盘对中心转轴OO轴的总转动惯量为：n 如不计因重量变化而引起的悬线伸长， 则有
3、 。那么，待测物体绕中心轴oo的转动惯量为: n 因此，通过长度、质量和时间的测量，便可求出刚体绕某轴的转动惯量。 n 用三线摆法还可以验证平行轴定理。若质量为m的物体绕过其质心轴的转动为 ，当转轴平行移动距离x时（如图2所示），则此物体对新轴OO的转动惯量为 。这一结论称为转动惯量的平行轴定理。 n 实验时将质量均为m，形状和质量分布完全相同的两个圆柱体对称地放置在下圆盘上（下盘有对称的两排小孔）。按同样的方法，测出两小圆柱体和下盘绕中心轴oo的转动周期 ，则可求出每个柱体对中心转轴OO的转动惯量: n 如果测出小圆柱中心与下圆盘中心之间的距离x以及小圆柱体的半径 ，则由平行轴定理可求得 n
4、 比较 与 的大小,可验证平行轴定理。 四 实验内容n 1测定圆环对通过其质心且垂直于环面轴的转动惯量 n（1）调整底座水平：调整底座上的三个 螺钉旋钮，直至底板上水准仪中的水泡位于正中间。 n（2）调整下盘水平：调整上圆盘上的三个旋钮（调整悬线的长度），改变三悬线的长度，直至下盘水准仪中的水泡位于正中间。 n（3）测量空盘绕中心轴oo转动的运动周期 ：轻轻转动上盘，带动下盘转动，这样可以避免三线摆在作扭摆运动时发生晃动（注意扭摆的转角控制在 以内）。周期的测量常用累积放大法，即用计时工具测量累积多个周期的时间，然后求出其运动周期（想一想，为什么不直接测量一个周期？）。如果采用自动的光电计时装
5、置（光电计时的原理请参阅实验三），光电门应置于平衡位置，即应在下盘通过平衡位置时作为计时的起止时刻，且使下盘上的挡光杆处于光电探头的中央， 且能遮住发射和接收红外线的小孔， 然后开始测量；如用秒表手动计时，也应以过平衡位置作为计时的起止时刻（想一想，为什么？），并默读5、4、3、2、1、0，当数到“0”时启动停表， 这样既有一个计数的准备过程， 又不致于少数一个周期。 n（4）测出待测圆环与下盘共同转动的周期T1：将待测圆环置于下盘上，注意使两者中心重合，按同样的方法测出它们一起运动的周期T1 。 n2用三线摆验证平行轴定理 n将两小圆柱体对称放置在下盘上，测出其与下盘共同转动的周期 和两小圆
6、柱体的间距 2x 。改变小圆柱体放置的位置，重复测量5次。 n3其它物理量的测量 n（1）用米尺测出上下圆盘三悬点之间的距离a和b，然后算出悬点到中心的距离r和R（等边三角形外接圆半径）。 n（2） 用米尺测出两圆盘之间的垂直距离 ；用游标卡尺测出待测圆环的内、外直径2 、2 和小圆柱体的直径2 。 n（3） 记录各刚体的质量。 五 数 据 与 结 果 n1. 圆环转动惯量的测量及计算（表1和表2） n下盘质量m0 = n待测圆环质量 m= n圆柱体质量 m= n平衡时上下盘间的垂直距离H0 =根据以上数据，求出待测圆环的转动惯量，将其与理论值计算值比较，求相对误差，并进行讨论。已知理想圆环绕
7、中心轴转动惯量的计算公式为n2. 验证平行轴定理（表3） n由上表数据，分析实验误差，由得出的数据给出是否验证了平行轴定理的结论。 六 、思 考 题 n（1）用三线摆测刚体转动惯量时，为什么必须保持下盘水平？ n（2）在测量过程中, 如下盘出现晃动,对周期测量有影响吗？如有影响，应如何避免之？ n（3）三线摆放上待测物后，其摆动周期是否一定比空盘的转动周期大？为什么？ n（4）测量圆环的转动惯量时，若圆环的转轴与下盘转轴不重合，对实验结果有何影响？ n（5）如何利用三线摆测定任意形状的物体绕某轴的转动惯量？ n（6）三线摆在摆动中受空气阻尼，振幅越来越小，它的周期是否会变化？对测量结果影响大吗？为什么？
