实验1资料-TH-I型智能转动惯量实验

1、TH - I型智能转动惯量实验仪使用说明书一、仪器简介TH-I 型智能转动惯量实验仪是智能化物理实验仪器，广泛用于高校物理实验室测量物体转动和摆动的周期以及旋转体的转速。能自动记录、存贮，处理多组实验数据，并能精确计算出多组实验数据的平均值。TH-I 型智能转动惯量实验仪采用新型的单片机作控制系统，具有精度高、功能强、产品性能稳定、可 靠等优点。二、性能指标1 .供电电源 AC220V ± 10% 50Hz2 信号输入方式光电传感器信号输入或 TTL、CMOS勺脉冲电平3 显示方式参量、数据通过数码管显示，状态指示由发光二极管指示4 .操作方法键盘操作7功耗v 1W8.环境温度5C

2、+ 40C9.体积220mmx 204mnX 100mmL x W H三使用说明TH-I型智能转动惯量实验仪测试面板图如图3所示。，假设情况异常死机1. 开启主机电源后摆动指示灯亮，参量显示“P1，数据显示可按复位键，即可恢复正常。按键“功能、“置数、“执行、“查询、“自检、“返回有效。开机默认 状态为“摆动，默认周期数为10 ,执行数据皆空，为 0。2 功能选择按“功能键，可以选择扭摆、转动两种功能开机及复位默认值为摆动。3 置数按“置数键，参量显示“ n = ,数据显示“10，按“上调键，周期数依次加1,按“下调键，周期数依次减1,周期数能在1 -20范围内任意设定，再按“置数键确认，显示

3、“F1 end或“F2 end。更改后的周期数不具有记忆功能，一旦切断电源或按“复位键，便恢复原来的默认周期数。周期数一旦预置完毕，除切断电源、复位和再次置数外，其它操作均不改变预置的周期数。O Q O计时转动毘中苇早沖示to上将下薦自起返回4 .执行按“执行键，数据显示为“ 000.0 ，表示仪器已处在等待测量状态，此时，当被测的往复摆动物体 上的挡光杆第一次通过光电门时， 由“数据显示 给出累计的时间， 同时仪器自行计算周期 C1 予以存贮， 以供查询和作屡次测量求平均值，至此，P第一次测量测量完毕。再次按“执行键，“P1变为“P2，数据显示又回到“ 000.0 ，仪器处在第二次待测状态，

4、本机设定重复测量的最屡次数为5次，即P1, P2P5。通过“查询键可知各次测量的周期值CiI = 1, 25以及它们的平均值 CA以摆动为例将刚体水平旋转约 90°后让其自由摆动，按“执行键，即时仪器显示“ P1 000.0", 当被测物体上的 挡光杆第一次通过光电门时开始计时 , 同时, 状态指示的计时指示灯点亮 , 随着刚体的摆动 , 仪器开始连续 计时,直到周期数等于设定值时 ,停止计时 ,计时指示灯随之熄灭 ,此时仪器显示第一次测量的总时间。重复 上述步骤，可进行屡次测量。本机设定重复测量的最屡次数为5次，即Pi、P2、P3、P4、P5。执行键还具有修改功能，例如要

5、修改第三组数据，按执行键直到出现“ P3 000.0 后，重新测量第三组数据。5 查询按“查询键，可查询每次测量的周期C1-C5和屡次测量的周期平均值CA及当前的周期数 n,假设显示“ NO'表示没有数据。6 自检按“自检键，仪器应依次显示“n=N-1 ，“2n=N-1，“SC GOO并自动复位到“ P1- ，表示单片机工作正常。7 返回按“返回 键 系统将无条件的回到最初状态 去除当前状态的所有执行数据 但预置周期数不改变。8 复位按“复位键 实验所得数据全部去除 所有参量恢复初始时的默认值。四、显示信息说明P1 初始状态n=N-1转动计时的脉冲次数N与周期数n 的关系2n=N-1摆

6、动计时的脉冲次数N与周期数n 的关系n=10当前状态的预置周期数F1 end摆动周期预置确定F2 end转动周期预置确定P 执行第X次测量X为1-5C 查询第X次测量X为1-5 , ASC Good 自检正常五、考前须知1 在使用过程中 假设遇强磁场等原因而使系统死机 请按“复位键或关闭电源重新启动。但以 前的一切数据都将丧失。2 为提高测量精度 应先让扭摆自由摆动 然后按“执行键进行计时。扭摆法测定物体的转动惯量转动惯量是刚体转动时惯性大小的量度，是说明刚体特性的一个物理量刚体转动惯量除了与物体质量有关外，还与转轴的位置和质量分布 (即形状、大小和密度分布 )有关。如果刚体形状简单，且质量分

7、布 均匀，可以直接计算出它绕特定转轴的转动惯量。对于形状复杂，质量分布不均匀的刚体，计算将极为复杂通常采用实验方法来测定，例如机械部件，电动机转子和枪炮的弹丸等。转动惯量的测量，一般都是使刚体以一定形式运动，通过表征这种运动特征的物理量与转动惯量的关系，进行转换测量本实验使物体作扭转摆动，由摆动周期及其它参数的测定计算出物体的转动惯量。一、实验目的1.用扭摆测定弹簧的扭转常数以及几种不同形状物体的转动惯量，并与理论值进行比拟。2. 验证转动惯量平行轴定理。二、实验原理2，用以产生恢复力矩。在轴的3为水平仪，用来调整系统平扭摆的构造如图1所示，在垂直轴1上装有一根薄片状的螺旋弹簧 上方可以装上各

8、种待测物体。垂直轴与支座间装有轴承，以降低磨擦力矩。衡。将物体在水平面内转过一角度B后，在弹簧的恢复力矩作用下物体就开始绕垂直轴作往返扭转运动。根据虎克定律，弹簧受扭转而产生的恢复力矩 转过的角度B成正比，即M = - K0 1式中，K为弹簧的扭转常数，根据转动定律M = I 3式中，I为物体绕转轴的转动惯量，3为角加速度，由上式得MT2令 2，K忽略轴承的磨擦阻力矩，由式Id2 K2上述方程表示扭摆运动具有角简谐振动的特性,M与所1、 2得图1角加速度与角位移成正比，且方向相反。此方程的解为:0=Acos( 3 +?)式中，A为谐振动的角振幅，0为初相位角，3为角速度，此谐振动的周期为T2

9、、丄3V K由式3可知，只要实验测得物体扭摆的摆动周期，并在I和K中任何一个量时即可计算出另一个量。本实验用一个几何形状规那么的物体，它的转动惯量可以根据它的质量和几何尺寸用理论公式直接计算得到，再算出本仪器弹簧的扭转常数K值。假设要测定其它形状物体的转动惯量，只需将待测物体安放在本仪器顶部的各种夹具上，测定其摆动周期，由公式3即可算出该物体绕转动轴的转动惯量。理论分析证明，假设质量为m的物体绕通过质心轴的转动惯量为Io时，当转轴平行移动距离 x时,那么此物体对新轴线的转动惯量变为1。+ mx2。这称为转动惯量的平行轴定理。、实验仪器1 扭摆及几种有规那么的待测转动惯量的物体空心金属圆筒、实心

10、高矮塑料圆柱体、木球、验证转动惯量平行轴定理用的金属细杆，杆上有两块可 以自由移动的金属滑块。2 .转动惯量测试仪TH- I型智能转动惯量实验仪，由主机和光电传感器两局部组成。主机采用新型的单片机作控制系统，用于测量物体转动和摆动的周期，以及旋转体的转速，能自动记录、存贮多组实验数据并能够精确地计算多组实验数据的平均值。光电传感器主要由红外发射管和红外接收管组成，将光信号转换为脉冲电信号，送入主机工作。因人眼无法直接观察仪器工作是否正常，但可用遮光物体往返遮挡光电探头发射光束通路，检查计时器是否开 始计时和到预定周期数时，是否停止计时。为防止过强光线对光探头的影响，光电探头不能置放在强光下，

11、实验时采用窗帘遮光，确保计时的准确。3. 数字式电子台秤数字式电子台秤是利用数字电路和压力传感器组成的一种台秤。本实验所用的电子秤，称量为1.999kg ,精度为1g。使用前应检查零读数是否为“ 0。物体放在称盘上即可从显示窗直接读出该物体的重量近似 看作质量m，最后一位出现土 1的跳动属正常现象。4 .游标卡尺游标卡尺的精度为 0.02mm=四、实验内容1 .熟悉扭摆的构造及使用方法，以及转动惯量测试仪的使用方法。2 .测定扭摆的扭转常数弹簧的扭转常数 K。3 .测定塑料圆柱体、金属圆筒、木球与金属细杆的转动惯量。并与理论值比拟，求百分误差。4. 改变滑块在金属细杆上的位置，验证转动惯量平行

12、轴定理。五、实验步骤1 .用游标卡尺测出实心塑料圆柱体的外径D、空心金属圆筒的内、外径 D内、D外、木球直径D直、金属细杆长度L;用数字式电子秤测出各物体质量m各测量3次求平均值。2 .调整扭摆基座底脚螺丝，使水平仪的气泡位于中心。3 .在转轴上装上对此轴的转动惯量为Io的金属载物圆盘，并调整光电探头的位置使载物圆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，并能自由往返的通过光电门。测量10个摆动周期所需要的时间10T。4.将转动惯量为丨1转动惯量I1的数值可由塑料圆柱体的质量m1和外径D1算出，即的塑料圆柱体放在金属载物圆盘上，那么总的转动惯量为lo+|1，测量10个摆动周期

13、所需要的时间8由式3可得出T0T1y I 0J|0 11T02T12 T0那么弹簧的扭转常数K 4 2 / 2T1 T0在SI制中K的单位为kg m2 s-2或 N m。5取下塑料圆柱体，装上金属圆筒，测量10个摆动周期需要的时间 10T2。6 取下金属载物圆盘、 装上木球，测量10个摆动周期需要的时间 10T3。在计算木球的转动惯量时,应扣除夹具的转动惯量 I支座。7 取下木球，装上金属细杆，使金属细杆中央的凹槽对准夹具上的固定螺丝，并保持水平。测量10个摆动周期需要的时间10T4O在计算金属细杆的转动惯量时，应扣除夹具的转动惯量I夹具。&验证转动惯量平衡轴定理。将金属滑块对称放置在

14、金属细杆两边的凹槽内，如图2所示，此时滑块质心与转轴的距离5T。验证转动惯量平行轴定理。xcmcm,15.00cm,cmcm,测量对应于不同距离时的5个摆动周期所需要的时间在计算转动惯量时，应扣除夹具的转动惯量I。图2六、数据记录和数据处理1 弹簧扭转常数 K和各物体转动惯量I确实定，数据记录见表 1,弹簧扭转常数K 4 22 2T1 To2 转动惯量平衡轴定理的验证，数据记录见表2o七、实验考前须知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，摆角在90°右根本相同，在小角度时变小。2 弹簧有一定的使用寿命和强度，千万不要随意玩弄弹簧，为了降低实验时由于摆动角度变化过

15、大带来的系统误差，在测定各种物体的摆动周期时，摆角不宜过小，也不宜过大，摆幅也不宜变化过大。3 光电探头宜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。4 .机座应保持水平状态。5 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，否那么扭摆不能正常工作。6 在称木球与金属细杆的质量时，必须分别将支座和夹具取下，否那么将带来极大误差。八、思考题1 实验中，为什么在称木球和细杆的质量时必须分别将支座和安装夹具取下?2 .转动惯量实验仪计时精度为0.001s,实验中为什么 要测量10T?3.如何用本实验仪来测定任意形状物体绕特定轴的转动惯量？学习文档仅供参考表1实验数

16、据记录和数据处理物体 名称质量(kg)几何尺寸 D/L102m周期T(s)转动惯量理论值1 ' (10-4kg 吊转动惯量实验值I(10-4kg- ni)百分差E0I I 100%金属载 物圆盘1OTo2'I1T0'o1Z2ZZ2"T1 ToT塑料 圆柱体miDi10T11 211 mD18一2KT111 '0miDiI;金属 圆筒m2D卜10T212212 m D外 D内82KT2I 22 I O4aDm.T,D内木球m3D直1OT3I3丄mD直10(K 二2|13,2 T 3I 支座4m3D直t3金属细 杆m4L10T4'4 訓L2K -2I4七T4 I夹具4 2m4T4表2转动惯量平衡轴定理的验证数据2X(10 m)摆动周期5T(s)T(s)实验值104 kg m|K T21 L理论值10_4 kg m2I I4 I5 2mx百分差E。100%金属细杆夹具转动惯量实验值3.5