刚体转动惯量的测定––实验要求.doc

大 学 物 理 实 验 教 案（1） 实验题目 刚 体 的 转 动 惯 量 实 验（扭摆法） 实验性质 基本实验 实验学时 教师 教学目的 了解刚体转动惯量的测定方法（动力学方法；振动方法等）。 了解和使用周期测量仪，用累积放大法测量周期。 用扭摆法求出刚体的转动惯量。 写出一份科学规范的实验报告。 重 点 用累积放大法测量周期。 观测转动惯量随质量、质量分布及转动轴线的不同而改变的状况。 难 点 实验装置系统的调节。 刚体转动惯量的测定的过程中，正确测量周期。 处理数据、误差分析。 教 学 过 程 的 设 计 课前的准备： 仪器设备的检查，卡尺和千分尺的零点值；周期测量仪的正常工作。 实验的预做（采集三组以上数据进行处理）。 作出数据表格设计的参考。 课上教学的设计： 一、课上的常规检查 （预习报告、数据表格的设计等）。 (5 分钟) 二、讲解的设计(30分钟) 上课内容 0.第一轮实验的教学目标： 1）学会物理实验基本方法（累积放大法、机械放大法、光学放大法等等）和部分基本仪器的使用（如，周期测量仪、分光计、示波器、电桥等等）。 2）学会实验数据的记录、计算，和数据处理的几种方法。 3）学会科学的撰写物理实验报告。 1．引言：转动惯量是描述刚体转动惯性大小的物理量，是研究和描述刚体转动规律的一个重要物理量，它不仅取决于刚体的总质量，而且与刚体的形状、质量分布以及转轴位置有关。对于质量分布均匀、具有规则几何形状的刚体，可以通过数学方法计算出它绕给定转动轴的转动惯量。对于质量分布不均匀、没有规则几何形状的刚体，用数学方法计算其转动惯量是相当困难的，通常要用实验的方法来测定其转动惯量。因此，学会用实验的方法测定刚体的转动惯量具有重要的实际意义。 实验上测定刚体的转动惯量，一般都是使刚体以某一形式运动，通过描述这种运动的特定物理量与转动惯量的关系来间接地测定刚体的转动惯量。测定转动惯量的实验方法较多，如动力学的转动法、振动的扭摆法、三线摆法等，本实验是利用“扭摆”来测定刚体的转动惯量。为了便于与理论计算比较，实验中仍采用形状规则的刚体。 2.交代题目，提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思 想和设计原则： 3.实验原理： 将一金属丝上端固定，下端悬挂一刚体就构成扭摆。 图1表示扭摆的悬挂物为圆盘。在圆盘上施加一外力矩，使之扭转一角度。由于悬线上端是固定的，悬线因扭转而产生弹性恢复力矩。外力矩撤去后，在弹性恢复力矩作用下圆盘作往复扭动,弹性恢复力矩转角的关系为： 式中， 称扭力系数。 忽略空气阻尼力矩的作用，根据刚体转动定理有 (1) 式中， 为刚体对悬线轴的转动惯量，为角加速度。 图 扭摆作角简谐振动的运动微分方程为 （2） 式中为角简谐振动的圆频率。其周期为 （3） 或者 （4） 若未知，可利用一个对其质心轴的转动惯量已知的物体，其质量为，将它附加到圆盘上，并使其质心位于扭摆悬线上，组成复合体。此复合体对以悬线为轴的转动惯量为+复合体的摆动周期为 （5） 其中，圆环对悬线轴的转动惯量有由下式计算 (6) 式中，为圆环的质量；和分别为圆环的内直径和外直径。 由（4）式和（5）式可得 (7) 4实验内容： 1）分别测量圆盘和圆盘加圆环的和 值。 用游标卡尺测量圆环的内外直径。圆环已标明在圆环根据测量结果计算圆盘转动惯量和圆的转动惯量。 2） (注：取0.02g ；只取A类不确定度) 3） 4） 5.2 1) 2) 3) 4) 6实验报告的写法与要求 实验报告是学生完成某一实验题目的实验总结，是学生展示自己的科学素养和实验技能、发表实验见解的学习性报告，实验报告是论文的前奏，有的实验报告本身就是一篇小论文，因此撰写实验报告是培养学生进行科学写作的有效形式之一。根据物理实验教学的特点，并参照国家关于科技论文的有关标准和规范，建议在撰写物理实验报告时，应包括如下内容：1) 实验项目名称2)实验的说明：是实验目的和要求3实验内容和原理4)主要仪器设备5)实验步骤操作方法与6)实验数据记录和处理7) 实验结果分析 实