1、大学物理实验教案实验名称：扭摆法测定物体转动惯量1 目的1）熟悉扭摆的构造、使用方法，以及转动惯量测试仪的使用方法；2）学会用扭摆测定几种不同形状物体的转动惯量和弹簧的扭转常数，并通过理论公式推算出物体的转动惯量；3）验证转动惯量与距离平方的关系。2 仪器扭摆、转动惯量测试仪、游标卡尺、天平3 实验原理3.1 原理将物体在水平面内转过一定的角度，在扭摆的弹簧的恢复力矩作用下物体绕垂直轴作往返扭转运动。根据胡克定律有：M= - K （1）根据转动定律有：M= （2）令 2=K/I，忽略轴承的摩擦阻力矩，由（1） 、 （2）得： 2Idt上述方程表示扭摆运动具有角简谐振动的特性，角加速与角位移成正
2、比，且方向相反。此方程的解为： )cos(tA式中，A 为谐振动的角振幅， 为初相位角， 为角速度，此谐振动的周期为：KIT2（3）由（3）式得： 24I可见只要知道弹簧扭转常数，测得物体扭摆的摆动周期，便可确定物体的转动惯量I。3.2 弹簧扭转常数测量方法本实验利用公式法先测得圆柱体的转动惯量，再用扭摆测出载物盘的摆动周期 T1，再把圆柱体放到载物盘上，测出此时的摆动周期 T2，分别代入（4）式，整理得：2104TIK（5）其中 I0 为圆柱体的转动惯量。4 教学内容4.1 测定扭摆装置的弹簧扭转常数1）选择圆柱体，重复 6 次测量其几何尺寸及其质量，根据公式确定其转动惯量；2）把载物盘安装
3、在转轴上并紧固，调整扭摆机座底脚螺丝，使水平仪的气泡位于中心；3）调节好计时装置，并调光电探头的位置使载物盘上的挡光杆处于其缺口中央且能遮住发射、接收红外光线的小孔；4）让其摆动，重复测量 6 次 20 个周期 t1；5）把圆柱体置于载物盘上，再让其摆动并重复 6 次测量 20 个周期 t2。4.2 测定球体的转动惯量1）将塑料球安装在扭摆的转轴上并紧固；2）让其摆动并重复 6 次测定 10 个周期 t4.3 验证转动惯量平行轴定理1）装上金属细杆（金属细杆中心必须与转轴重合） ，测定摆动周期 t（10 个 T） ；2）将滑块对称放置在细杆两边的凹槽内，此时滑块质心离转轴的距离分别为5.00，
4、10.00，15.00 ，20.00 ，25.00cm ，测定摆周期 t（10 个 T） ，验证转动惯量平行轴定理（计算转动惯量时，应扣除支架的转动惯量） 。4.4 数据处理方法不确定度的计算方法和作图法5 实验教学组织及教学要求讲解原理，测量要求，测量的注意事项；让学生自行操作；检查数据，并要求整理。6 实验教学的重点与难点重点：测定扭摆装置的弹簧扭转常数。难点：数据运算量较大，容易出错，并键在于要先转换公式后计算。7 实验中容易出现的问题1）弹簧的扭转常数 K 值不是固定常数，它与摆动角度略有关系，摆角 90左右基本相同，在小角度时变小。为了降低实验时由于摆动角度变化过大带来的系统误差，在
5、测定各种物体的摆动周期时，摆角不宜过小，摆幅也不宜变化过大；2）光电探头应酬放置在挡光杆平衡位置处，挡光杆不能和它相接触，以免增大摩擦力矩；3）机座应保持水平状态；4）在安装待测物体时，其支架必须全部套入扭摆主轴，并将止动螺丝旋紧，否则扭摆不能正常工作；5）在称金属细杆与木球的质量时，必须将支架取下否则会带来极大误差。特别注意：测完平行轴定理之后要拆卸装置，圆柱体拆下来时，螺丝要锁紧，否则掉了无法做实验。8 实验参考数据表 1 测定扭转常数和球体转动惯量M 圆柱体（g）t1（20 T, n =41）st2（20 T, n =41）sD (mm ） t 球 （10 T, n =21）355.25
6、 14.83 20.18 9.972 13.3614.80 20.17 9.970 13.3514.84 20.17 9.972 13.3514.82 20.17 9.970 13.3414.82 20.18 9.970 13.3314.83 20.17 9.966 13.35表 2 验证转动惯量与距离平方的关系t 杆 （ 10 T, n =21）X=5.00cm X=10.00cm X=15.00cm X=20.00cm X=25.00cm20.93 23.93 30.84 39.67 49.69 59.9520.92 23.91 30.79 39.69 49.21 59.9020.92 23.91 30.66 39.69 49.68 59.9820.90 30.84 59.9520.9120.939 实验结果检查方法卡尺最后一位是偶数，圆柱体的直径 9.970 左右；转动惯量与距离的平方成正比。10 课堂实验预习检查题目实验目的，实验原理，实验内容及步骤，注意事项，记录数据表格。11 思考题1）扭转常数 K 值与摆动角度有何关系？怎样才能减小实验的误差？
