用三线摆法测定物体的转动惯量

实验4-3 用三线扭摆法测定物体的转动惯量转动惯量是刚体转动惯性大小的量度，它与刚体的质量、转轴位置及质量相对转轴的分布情况有关。

对于形状简单规则的刚体，测出其尺寸和质量，可用数学方法计算出转动惯量，而对形状复杂的刚体用数学方法求转动惯量非常困难，一般要通过实验方法来测定。

三线扭摆法测转动惯量是一种简单易行的方法。

【实验目的】1．学会使用三线扭摆法测定圆盘和圆环绕其对称轴的转动惯量。

2．学习使用MUJ-5B 计时计数测速仪测量周期。

3．研究转动惯量的叠加原理及应用。

【实验器材】三线扭摆、钢直尺、游标卡尺、水准仪、钢圆环、铝圆环、MUJ-5B 计时计数测速仪。

【实验原理】三线扭摆装置如图4-3-1a 所示。

上、下两个圆盘均处于水平，圆盘A 的中心悬挂在支架的横梁上，圆盘B 由三根等长的弦线悬挂在A 盘上。

三条弦线的上端和下端分别在A 圆盘和B 圆盘上各自构成等边三角形，且两个等边三角形的中心与两个圆盘的圆心重合。

A 盘可绕自身对称轴12O O 转动，若将A 盘转动一个不大的角度，通过弦线作用将使B 盘摆动，B 盘一方面绕轴12O O 转动，同时又在铅直方向上做升降平动，其摆动周期与B 盘的转动惯量大小有关。

设B 盘的质量是0m ，当它从平衡位置开始向某一方向转动角度θ时，上升高度为h （如图4-3-1b 所示），那么B 盘增加的势能为=p E 0m gh (4-3-1)这时B 圆盘的角速度为d dtθ，B 盘的动能为 201()2K d E J dtθ= (4-3-2) 式中0J 是B 盘绕自身中心轴的转动惯量。

如果略去摩擦力，则圆盘系统的机械能守恒，即2001()2d J m gh dtθ+= 常量 (4-3-3) 设悬线长为l ，上圆盘悬线到盘心的距离为r ，下圆盘悬线到盘心的距离为R 。

当下圆盘B 转一小角度θ（05<）时，圆盘上升高度h ，从上盘a 点向下作垂线，与升高前、后的下盘分别交于c 、1c ，悬线端点b 移到位置1b ，因而下盘B 上升高度为1h ac ac =-1212)()(ac ac ac ac +-= (4-3-4)因为 22222()()()()ac ab bc l R r =-=--2221111()()()ac ab b c =-222(2cos )l R r Rr θ=-+- 所以21122sin ()2(1cos )2Rr Rr h ac ac ac ac θθ⨯-==++ (4-3-5)在悬线l 较长而B 盘的扭转角θ很小时，有12ac ac H +≈， sin()22θθ≈其中H 为两圆盘之间的距离。

I理

m 8( D12Fra bibliotekD22 )
百分误差
E0

I I理 I理
100%
思考题：任选一题
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
内直径D2
（cm）
1
2
3
平均
用游标卡 尺测3次
H= 下盘质量m0 =
（注意：米尺边缘和0不重合） 待测圆环质量m =
小圆柱不做！
数据处理
广州：g=9.788 m/s2 算出待测圆环的测量结果
I

gRr 4π2 H
[(m

m0 )T12

m0T02 ]
与理论值计算值比较，求百分误差
已知理想圆环绕中心轴转动惯量的计算公式为
读小数
标分度值之积，即是主 尺的小数值．将整数和 小数相加，就是所测
整数：游标上的零对上去读： 2.1cm=21mm
值由．于游标上的50分度表示1 mm，1 mm分成10大格，每大格为
0.1 mm，即游标上的数字是表示小数后的第一位（毫米为单
位）．每大格又分成5小格，所以每小格表示0.02 mm．
如图中游标与主尺对齐是游标上“6”右边的第一条，所以 小数位为0.6mm+0.02 mm=0.62 mm．
在外力作用下，形状和大小都不 发生变化的物体．是理想模型

实验步骤： 1、调：水平、三线等长 水平——使转轴与圆盘垂直
公式推导时要求两盘平行——三线等长
支架水平：调底座3螺丝——使上盘 水平仪的气泡在中间 技巧：根据气泡所在方位（高），确 定要调的螺丝，及方向。 注意：气泡移动迟缓，当气泡正在 移动时，暂停调节。
气泡
2、 三线等长： 调三线长度，使下 盘水平仪的气泡在中间
转动惯量是刚体转动惯性的量度 （类似：质量是物体惯性的量度）
物体对某轴的转动惯量越大，则绕该轴转动状态 就越难改变。
转动惯量与刚体的质量、形状及转轴的位置有关.
同一个刚体对不同转轴的转动惯量是不同的
o o´ 1 ml I = 12
2
o
o´ 1 2 m l I = 3
m 2 2 I 环 （R1 R2 ) 2
用三线摆法测定物体的转动惯量
三线摆：是将半径不同的二圆盘，用三条等长 的线联结而成。
下盘可绕中心线扭转，其扭 转周期和下盘的质量和质量分布 有关。
改变下盘的转动惯量（质量、质 量分布）时，扭转周期发生变化。 三线摆就是通过测量它的扭 转周期，求出任一质量已知物体 的转动惯量。
三线摆法是通过扭转运动测量转动惯量的一种方法。 在外力作用下，形状和大小都不 发生变化的物体．是理想模型
6、游标卡尺分别测 量出待测圆环的内、 外直径。（在环的不 同处测量） 7、用米尺测出H （ H为上下圆盘间的距 离，即：悬线对应的 垂直高度。） 。
a
r
b
R
3 r a 3
3 R b 3
8、记录下圆盘和待测圆环的质量m0、 m
项目
次数
上盘悬 下Leabharlann 悬孔 待测圆环 孔间距 间距b 外直径D1 内直径D2 a（cm） （cm） （cm） （cm） 用游标卡 尺测3次

《用三线摆法测定物体的转动惯量》的示范报告
一、实验目的
本次实验的目的是使用三线摆法来测量物体的转动惯量。

二、实验原理
三线摆定律是一种使用频率敏感网络来测定物体转动惯量的力学原理。

它规定，一个物体如果经过特定角度的摆动旋转，其转动惯量和角速度的乘积是恒定的，这是物体的允许转动能量的最大值。

由此可以用来测量物体的转动惯量。

三、实验步骤
1.准备实验设备：普通支架、振子、底座、重量探头、小型马达等实验设备。

2.根据实验要求，按照规定的尺寸安装摆放实验设备，即将普通支架、振子、底座、重量探头和小型马达依次摆放设备，在摆放时要求牢固，使实验设备不会因振动而变形或改变大小。

3.根据三线摆定律，把小型马达的电源开关打开，比如设置110V的电源，使小型马达向相应方向运转起来。

4.不断调整实验设备的恒定摆放角度，观察马达的转速，然后写下每次实验参数。

5.根据实验参数，以及三线摆定律，用计算机计算物体的转动惯量，将结果写入文件中。

四、实验结果
根据实验参数，本次实验的转动惯量的结果如图：
五、总结
通过本次实验，可以熟悉三线摆测定物体转动惯量的实验原理与测量方法，了解物体转动动量的大小变化和转动频率之间的关系，并能够掌握利用物理原理测量物体动量的能力。