刚体转动惯量.docx

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1、大学物理仿真实验实验题目：刚体转动惯量测量实验人：周昕学号：2110405028一、实验简介：在研究摆的重心升降问题时，惠更斯发现了物体系的重心与后来欧勒称之为转动惯量的量。转动惯量是表征刚体转动惯性大小的物理量，它与刚体的质量、质量相对于转轴的分布有关。本实验将学习测量转动惯量的基本方法。二、实验目的：1.用实验方法验证刚体转动定律，并求其转动惯量；2.观察刚体的转动惯量与质量分布的关系；3.学习作图的曲线改直法，并由作图法处理实验数据。三、实验原理：1.刚体的转动定理：具有确定转轴的刚体，在外力矩的作用

2、下，将获得角加速度β，其值与外力矩成正比，与刚体的转动惯量成反比，即有刚体的转动定理：M=Iβ（1）利用转动定理，通过试验方法，可求得难以用计算方法得到的转动惯量。2.应用转动定律求转动惯量：如图所示，待测刚体由塔轮，伸杆及杆上的配重物组成。刚体将在砝码的拖动下绕竖直轴转动。设细线不可伸长，砝码受到重力和细线的张力作用，从静止开始以加速度a下落，其运动方程为mg–t=ma，在t时间内下落的高度为h=at2/2。刚体受到张力的力矩为Tr和轴摩擦力力矩Mf。由转动定律可得到刚体的转动运动方程：Tr-Mf=Iβ。

3、绳与塔轮间无相对滑动时有a=rβ，上述四个方程得到：m(g-a)r-Mf=2hI/rt2（2）Mf与张力矩相比可以忽略，砝码质量m比刚体的质量小的多时有a<

4、/gr2为常量。上式表明：所用砝码的质量与下落时间t的平方成反比。实验中选用一系列的砝码质量，可测得一组m与1/t2的数据，将其在直角坐标系上作图，应是直线。即若所作的图是直线，便验证了转动定律。从m–1/t2图中测得斜率K1，并用已知的h、r、g值，由K1=2hI/gr2求得刚体的I。B．作r–1/t图法：配重物的位置不变，即选定一个刚体，取砝码m和下落高度h为固定值。将式（3）写为：r=K2/t（5）式中K2=(2hI/mg)1/2是常量。上式表明r与1/t成正比关系。实验中换用不同的塔轮半径r，测得同

5、一质量的砝码下落时间t，用所得一组数据作r－1/t图，应是直线。即若所作图是直线，便验证了转动定律。从r－1/t图上测得斜率，并用已知的m、h、g值，由K2=(2hI/mg)1/2求出刚体的I。一、实验仪器：刚体转动仪，滑轮，秒表，砝码。二、实验内容：1.调节实验装置：调节转轴垂直于水平面，调节滑轮高度，使拉线与塔轮轴垂直，并与滑轮面共面。选定砝码下落起点到地面的高度h，并保持不变。2.观察刚体质量分布对转动惯量的影响：取塔轮半径为3.00cm，砝码质量为20g，保持高度h不变，将配重物逐次取三种不同的位置

6、，分别测量砝码下落的时间，分析下落时间与转动惯量的关系。本项实验只作定性说明，不作数据计算。3.测量质量与下落时间关系：测量的基本内容是：更换不同质量的砝码，测量其下落时间t。用游标卡尺测量塔轮半径，用钢尺测量高度，砝码质量按已给定数为每个5.0g；用秒表记录下落时间。将两个配重物放在横杆上固定位置，选用塔轮半径为某一固定值。将拉线平行缠绕在轮上。逐次选用不同质量的砝码，用秒表分别测量砝码从静止状态开始下落到达地面的时间。对每种质量的砝码，测量三次下落时间，取平均值。砝码质量从5g开始，每次增加5g，直到3

7、5g止。用所测数据作图，从图中求出直线的斜率，从而计算转动惯量。4.测量半径与下落时间关系：测量的基本内容是：对同一质量的砝码，更换不同的塔轮半径，测量不同的下落时间。将两个配重物选在横杆上固定位置，用固定质量砝码施力，逐次选用不同的塔轮半径，测砝码落地所用时间。对每一塔轮半径，测三次砝码落地之间，取其平均值。注意，在更换半径是要相应的调节滑轮高度，并使绕过滑轮的拉线与塔轮平面共面。由测得的数据作图，从图上求出斜率，并计算转动惯量。三、实验截图：1.测量m-(1/t2)关系截图：2.测量r-1/t关系截图：

8、1.观察刚体质量分布对刚体转动惯量的影响：二、实验结论、误差分析及反思：1.实验结论：通过测量m-(1/t2)关系，得出I1=1.90921E(-3)千克*平方米；通过测量r-1/t关系，得出I2=1.78633E(-3)千克*平方米；观察刚体质量分布对刚体转动惯量的影响后得出结论：质量分布越集中，转动惯量越小；质量分布越分散，转动惯量越大。2.误差分析：底座未调节水平，使得转轴不垂直于水平面，造成一定误差；实验