转动惯量的测定实验报告

1理论力学转动惯量实验报告实验小组成员:实验时间:2018年5月18日18:00——19:30实验地点:同济大学四平路校区力学实验中心2【实验目的】1.了解多功能计数计时毫秒仪实时测量（时间）的基本方法2.用刚体转动法测定物体的转动惯量3.验证刚体转动的平行轴定理4.验证刚体的转动惯量与外力矩无关【实验原理】1.转动力矩、转动惯量和角加速度关系系统在外力矩作用下的运动方程T×r+Mμ=Jβ2（1）由牛顿第二定律可知，砝码下落时的运动方程为：mg-T=ma即绳子的张力T=m(g-rβ2)砝码与系统脱离后的运动方程Mμ=Jβ1（2）由方程（1）（2）可得J=mr(g-rβ2)/(β2-β1)（3）2.角加速度的测量θ=ω0t+½βt²（4）若在t1、t2时刻测得角位移θ1、θ2则θ1=ω0t1+½βt²（5）θ2=ω0t2+½βt²（6）所以，由方程（5）、（6）可得β=2（θ2t1-θ1t2）/t1t2（t2-t1）【实验仪器】1、IM-2刚体转动惯量实验仪(含霍尔开关传感器、计数计时多功能毫秒仪、一根细绳、一个3质量为100g的砝码等，塔轮直径从下至上分别为30mm、40mm、50mm、60mm，载物台上的孔中心与圆盘中心的距离分别为40mm、80mm、120mm)2、一个钢质圆环(内径为175mm，外径为215mm，质量为995g)3、两个钢质圆柱(直径为38mm，质量为400g)【实验步骤】1.实验准备在桌面上放置IM-2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。通用电脑计时器上光电门的开关应接通，另一路断开作备用。当用于本实验时，设置1个光电脉冲记数1次，1次测量记录大约20组数。2.测量并计算实验台的转动惯量1)放置仪器，滑轮置于实验台外3-4cm处，调节仪器水平。设置毫秒仪计数次数为20。2)连接传感器与计数计时毫秒仪，调节霍尔开关与磁钢间距为0.4-0.6cm，转离磁钢，复位毫秒仪，转动到磁钢与霍尔开关相对时，毫秒仪低电平指示灯亮，开始计时和计数。3)将质量为m=100g的砝码的一端打结，沿塔轮上开的细缝塞入，并整齐地绕于半径为r的塔轮。4)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。5)释放砝码，砝码在重力作用下带动转动体系做加速度转动。6)计数计时毫秒仪自动记录系统从0π开始作1π，2π……角位移相对应的时刻。3.测量并计算实验台放上试样后的转动惯量将待测试样放上载物台并使试样几何中心轴与转动轴中心重合，按与测量空实验台转动惯量同样的方法可分别测量砝码作用下的角加速度β2与砝码脱离后的角加速度β1，由（3）式可计算实验台放上试样后的转动惯量J，再减去实验步骤2中算得的空实验台转动惯量即可得到所测试样的转动惯量。将该测量值与理论值比较，计算测量值的相对误差。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，将测量值与理论计算值比较，计算测量值的相对误差。5.验证刚体定轴转动惯量与外力矩无关通过改变塔轮直径对转盘施加不同的外力矩，测定在不同外力矩下转盘的转动惯量，与理论值进行比较，在一定允许的误差范围内验证结论。【实验数据与处理】1.测量空盘的转动惯量塔轮半径r=40mm砝码100g数据第一组第二组第三组数据第一组第二组第三组1π1.1351.7821.20811π6.7167.8916.8812π1.9942.8242.09912π7.1478.3417.31643π2.2703.6472.84013π7.5818.7937.7524π3.3554.3463.48814π8.0149.2448.1895π3.9324.9684.07215π8.4509.6988.6276π4.4615.5314.60816π8.88510.1529.0667π4.9556.0525.10617π9.32310.6089.5078π5.4176.5375.57318π9.76011.0649.9489π5.8556.9946.01419π10.20011.52310.39010π6.2857.4416.44720π10.64011.98110.833数据处理第一组第二组第三组平均值β1-0.03767-0.04478-0.03896-0.04187β20.3098020.8718310.8712370.871534转动惯量0.0563720.0213450.0214950.02142（注：计算平均值时舍去第一组的坏值）2.测量圆环的转动惯量塔轮半径r=40mm圆环外径215mm内径175mm质量995g数据第一组第二组第三组数据第一组第二组第三组1π1.6922.2701.86111π8.7999.7269.1362π2.8513.4863.08312π9.33410.3069.6793π3.7934.4874.04913π9.87110.88710.2194π4.6065.3384.88614π10.40811.47010.7655π5.3346.0925.62515π10.94812.05511.3076π5.9996.7776.30416π11.48812.64211.8567π6.6157.4086.92617π12.03013.23012.4018π7.1907.9967.51218π12.57313.82012.9539π7.7338.5718.05919π13.11714.41213.50110π8.2659.1488.59920π13.66315.00514.056数据处理第一组第二组第三组平均值β1-0.0281-0.01449-0.02165-0.02141β20.5956490.5944040.5872090.592421J盘＋环0.0313460.0321110.0321140.031857J环0.0103460.0111110.0111140.010857环的转动惯量理论值为0.009702，误差为11.9%3.验证平行轴定理（圆柱体直径38mm质量2×400g）（1）D=40mm数据第一组第二组第三组数据第一组第二组第三组1π1.3411.5331.49611π7.5167.8937.6362π2.2992.5512.51012π8.0308.4188.0983π3.0863.3703.32213π8.5478.9448.5574π3.7724.0764.02914π9.0659.4739.0215π4.3874.7064.65515π9.58410.0039.48256π4.9505.2815.23016π10.10610.5359.9487π5.4725.8115.75817π10.62811.06910.4128π5.9816.3296.25618π11.15311.60510.8819π6.4916.8496.72119π11.67912.14311.34710π7.0037.3707.18020π12.20712.68211.819数据处理第一组第二组第三组平均值β1-0.03732-0.03802-0.03044-0.03526β20.8085470.808220.803620.806795J盘＋圆柱0.0230950.0230850.0234230.023201J圆柱0.0020950.0020850.0024230.002201圆柱转动惯量理论值为0.0014244，百分误差为54.51%（2）D=80mm数据第一组第二组第三组数据第一组第二组第三组1π1.5421.2951.50711π8.1867.6608.0522π2.6082.2662.57012π8.7118.1278.5493π3.4783.0883.43013π9.2388.6909.0434π4.2303.8044.18214π9.7679.2059.5435π4.9034.4554.8515π10.2979.72710.046π5.5175.0496.46616π10.82910.24510.5437π6.0865.6066.03217π11.36310.77011.0438π6.6196.1256.56718π11.89811.29111.5499π7.1406.6377.06619π12.43611.81912.05110π7.6627.1457.5620π12.97412.34412.56数据处理第一组第二组第三组平均值β1-0.02111-0.0757-0.03212-0.04298β20.6929340.6944560.1102420.49921J盘＋圆柱0.0273720.0253770.1376190.036076J圆柱0.0063720.0043770.1166190.005374圆柱转动惯量理论值为0.0052644，百分误差为2.09%（3）D=120mm数据第一组第二组第三组数据第一组第二组第三组1π2.0751.9751.93611π9.6479.4979.4212π3.3613.2403.19212π10.20910.0599.9803π4.3724.2404.18613π10.76810.61710.5364π5.2445.1065.04714π11.33311.18311.0985π6.0115.8695.80715π11.89511.74511.6566π6.7156.5706.50616π12.46412.31412.22267π7.3607.2137.14617π13.02912.87912.7848π7.9677.8187.74918π13.60113.45113.3529π8.5338.3838.31219π14.17014.01913.91810π9.0928.9428.86920π14.74514.59414.490数据处理第一组第二组第三组平均值β1-0.02364-0.02364-0.02162-0.02297β20.5557310.5544050.5564050.555514J盘＋圆柱0.0337530.033830.0338320.033805J圆柱0.0127530.012830.0128320.012805圆柱转动惯量理论值为0.01167，百分误差为9.73%根据已知数据可以计算出通过圆柱体对称轴的转动惯量为J0=0.00288.由之前的计算结果可以当D=40mm，J=0.00220083，因此可以计算得J+MD^2=0.000288根据圆柱体的转动惯量公式，计算其理论值为0.000221误差为2.4%，在误差范围内，因此可以验证平行轴定理4.验证转动惯量与外力矩无关塔轮半径r=50mm数据第一组第二组第三组数据第一组第二组第三组1π1.0431.5151.09311π6.2297.1176.3572π1.8322.4431.90412π6.6667.5736.7983π2.4853.1692.57013π7.1008.0267.2364π3.0633.7953.15814π7.5398.4847.6795π3.5804.3453.68115π7.9748.9398.1196π4.0594.8504.16516π8.4159.4008.5647π4.5005.3124.61117π8.8539.8579.0078π4.9335.7635.04818π9.29610.3209.4549π5.3626.2125.48219π9.73610.7809.89810π5.7976.6665.92120π10.18111.24510.348数据处理第一组第二组第三组平均值β1-0.02287-0.02868-0.02424-0.02527β21.0810581.0850561.0759121.080675转动惯量0.0221320.0219370.0222080.