三线摆法测刚体的转动惯量一、实验简介转动惯量是刚体转动时惯性的量度，其量值取决于物体的形状、质量、质量分布及转轴的位置。刚体的转动惯量有着重要的物理意义，在科学实验、工程技术、航天、电力、机械、仪表等工业领域也是一个重要参量。对于几何形状简单、质量分布均匀的刚体可以直接用公式计算出它相对于某一确定转轴的转动惯量。对于任意刚体的转动惯量，通常是用实验方法测定出来的。测定刚体转动惯量的方法很多，通常的有三线摆、扭摆、复摆等。本实验要求学生掌握用三线摆测定物体转动惯量的方法，并验证转动惯量的平行轴定理。二、实验原理H10C图1三线摆结构示意图图2下圆盘的扭转振动1一底座；2一底座上的调平螺丝：3—支杆：4—悬架和支杆连接的固定螺丝；5—悬架6一上圆盘悬线的固紧螺丝；7一上圆盘：8一悬线：9—下圆盘：10待测金属环；
三线摆法测刚体的转动惯量 一、 实验简介 转动惯量是刚体转动时惯性的量度，其量值取决于物体的形状、质量、质量 分布及转轴的位置。刚体的转动惯量有着重要的物理意义，在科学实验、工程技 术、航天、电力、机械、仪表等工业领域也是一个重要参量。对于几何形状简单、 质量分布均匀的刚体可以直接用公式计算出它相对于某一确定转轴的转动惯量。 对于任意刚体的转动惯量，通常是用实验方法测定出来的。测定刚体转动惯量的 方法很多，通常的有三线摆、扭摆、复摆等。 本实验要求学生掌握用三线摆测定物体转动惯量的方法,并验证转动惯量的 平行轴定理。 二、 实验原理 图 1 三线摆结构示意图 图 2 下圆盘的扭转振动 1—底座；2—底座上的调平螺丝；3—支杆；4—悬架和支杆连接的固定螺丝；5—悬架； 6—上圆盘悬线的固紧螺丝；7—上圆盘；8—悬线；9—下圆盘；10—待测金属环；
当上、下圆盘水平时，将上圆盘绕竖直的中心轴线O,O转动一个小角度，借助悬线的张力使悬挂的大圆盘绕中心轴OO作扭转摆动。同时，下圆盘的质心0将沿着转动轴升降，如上图中右图所示。H是上、下圆盘中心的垂直距离；h是下圆盘在振动时上升的高度；α是扭转角。显然，扭转的过程也是圆盘势能与动能的转化过程。扭转的周期与下圆盘（包括置于上面的刚体）的转动惯量有关。当下圆盘的扭转角α很小时，下圆盘的振动可以看作理想的简谐振动。其势能E.和动能E分别为：(1)E,= mogh(dh)11(a+1mE=(2)m.210dt2dt式中m。是下圆盘的质量，g为重力加速度，h为下圆盘在振动时上升的高度，崇为下圆盘质心的速度，1,为圆盘对 0,0轴的转动惯量。da=の为圆频率，dtdt若忽略摩擦力的影响，则在重力场中机械能守恒： (dh)?(dα)"1(3)+mogh=恒量mol(dt)"（dt)32因下圆盘的转动能远大于上下运动的平动能，于是近似有(da)?(4)+mogh=恒量2dt.Rra?h=(5)又通过计算可得：2H将（5）代入（4）并对t求导，可得：d'α_-mogRro(6)dt?I.H
当上、下圆盘水平时，将上圆盘绕竖直的中心轴线O1O 转动一个小角度,借助 悬线的张力使悬挂的大圆盘绕中心轴O1O作扭转摆动。同时，下圆盘的质心 1 O 将 沿着转动轴升降，如上图中右图所示。H 是上、下圆盘中心的垂直距离；h 是下 圆盘在振动时上升的高度；α是扭转角。显然，扭转的过程也是圆盘势能与动能 的转化过程。扭转的周期与下圆盘（包括置于上面的刚体）的转动惯量有关。 当下圆盘的扭转角α很小时，下圆盘的振动可以看作理想的简谐振动。其势 能 Ep 和动能 Ek 分别为： p 0 E m gh = （1） 2 2 0 0 1 1 ( ) () 2 2 k d dh EI m dt dt α = + （2） 式中 0 m 是下圆盘的质量，g 为重力加速度，h 为下圆盘在振动时上升的高度， ω α = dt d 为圆频率， dt dh 为下圆盘质心的速度，I 0为圆盘对 O1O 轴的转动惯量。 若忽略摩擦力的影响，则在重力场中机械能守恒： + = 恒量 + m gh dt dh m dt d 0 2 0 2 0 2 1 I 2 1 α （3） 因下圆盘的转动能远大于上下运动的平动能，于是近似有 + = 恒量 m gh dt d 0 2 0 I 2 1 α （4） 又通过计算可得： H Rr 2 h 2 α = （5） 将（5）代入（4）并对 t 求导，可得： α α I H m gRr dt 0 0 2 2 d = − （6）
该式为简谐振动方程，可得方程的解为o"_mogRr(7)IoH4元2_mogRr2元，因振动周期T。=3代入上式得：0T?I.HmogRr。=故有：(8)64元H由此可见，只要准确测出三线摆的有关参数m。、R、『、H和T。，就可以精确地求出下圆盘的转动惯量I。。如果要测定一个质量为m的物体的转动惯量，可先测定无负载时下圆盘的转动惯量I。，然后将物体放在下圆盘上，并注意，必须让待测物的质心恰好在仪器的转动轴线上。测定整个系统的转动周期T，则系统的转动惯量I，可由下式求出：I, -(mgtm)err:(9)4元H式中H,为放了待测物之后的上、下圆盘间距，一般可以认为H，～H。待测物的转动惯量1为：1-1- - - m (10)用这种方法，在满足实验要求的条件下，可以测定任何形状物体的转动惯量。用三线摆可以验证转动惯量的平行轴定理。物体的转动惯量取决于物体的质量分布以及相对于转轴的位置。因此，物体的转动惯量随转轴不同而改变，转轴可以通过物体内部，也可以通过物体外部。根据平行轴定理，物体对于任意轴的转动惯量I，等于通过此物体以质心为轴的转动惯量I。加上物体质量m与两轴间距离d平方的乘积，写成：
该式为简谐振动方程，可得方程的解为： I H m gRr 0 2 0 ω = （7） 因振动周期 ω 2π T0 = ，代入上式得： I H m gRr T 0 0 2 0 2 4 = π 故有： 0 2 0 0 2 4 m gRr I T π H = （8） 由此可见，只要准确测出三线摆的有关参数m0 、R、r、H 和T0，就可以精确地 求出下圆盘的转动惯量 0 I 。 如果要测定一个质量为 m 的物体的转动惯量，可先测定无负载时下圆盘的转 动惯量 0 I ，然后将物体放在下圆盘上，并注意，必须让待测物的质心恰好在仪器 的转动轴线上。测定整个系统的转动周期T1 ，则系统的转动惯量 1 I 可由下式求出： ( ) 2 1 1 2 0 1 4 I T H m m gRr π + = （9） 式中H 1为放了待测物之后的上、下圆盘间距，一般可以认为H 1 ≈ H 。待测物的 转动惯量 I 为： [( ) ] 2 0 0 2 1 0 2 0 1 4 I I m m T m T H gRr = − I = + − π （10） 用这种方法，在满足实验要求的条件下，可以测定任何形状物体的转动惯量。 用三线摆可以验证转动惯量的平行轴定理。物体的转动惯量取决于物体的质 量分布以及相对于转轴的位置。因此，物体的转动惯量随转轴不同而改变，转轴 可以通过物体内部，也可以通过物体外部。根据平行轴定理，物体对于任意轴的 转动惯量 a I ，等于通过此物体以质心为轴的转动惯量 c I 加上物体质量 m 与两轴 间距离 d 平方的乘积，写成：
(11)Ia= I。+md通过改变待测物体质心与三线摆中心转轴的距离，测量I，与d?的关系便可验证转动惯量的平行轴定理。三、实验内容1．了解三线摆原理以及有关三线摆实验器材的知识2.用三线摆测量圆环的转动惯量，并验证平行轴定理（1）测定仪器常数H、R、r恰当选择测量仪器和用具，减小测量不确定度。自拟实验步骤，确保三线摆上、下圆盘的水平，使仪器达到最佳测量状态。（2）测量下圆盘的转动惯量三线摆上方的小圆盘，使其绕自身转动一个角度，借助线的张力使下圆盘作扭摆运动，而避免产生左右晃动。自己拟定测量下圆盘转动惯量的方法。(3）测量圆环的转动惯量下圆盘上放上待测圆环，注意使圆环的质心恰好在转动轴上，测量圆环的质量和内、外直径。利用公式求出圆环的转动惯量。（4）验证平行轴定理将质量和形状尺寸相同的两金属圆柱体对称地放在下圆盘上。测量圆柱体质心到中心转轴的距离。计算圆柱体的转动惯量。四、实验仪器三线摆，米尺，游标卡尺，电子停表等，整体图如下：
2 I a = I c + md （11） 通过改变待测物体质心与三线摆中心转轴的距离，测量 a I 与 2 d 的关系便可验证 转动惯量的平行轴定理。 三、 实验内容 1. 了解三线摆原理以及有关三线摆实验器材的知识 2. 用三线摆测量圆环的转动惯量，并验证平行轴定理 （1） 测定仪器常数 H、R、r 恰当选择测量仪器和用具，减小测量不确定度。 自拟实验步骤，确保三线 摆上、下圆盘的水平，使仪器达到最佳测量状态。 （2） 测量下圆盘的转动惯量 三线摆上方的小圆盘，使其绕自身转动一个角度，借助线的张力使下圆盘作 扭摆运动，而避免产生左右晃动。 自己拟定测量下圆盘转动惯量的方法。 （3） 测量圆环的转动惯量 下圆盘上放上待测圆环，注意使圆环的质心恰好在转动轴上，测量圆环的质 量和内、外直径。 利用公式求出圆环的转动惯量。 （4） 验证平行轴定理 将质量和形状尺寸相同的两金属圆柱体对称地放在下圆盘上。测量圆柱体质 心到中心转轴的距离。计算圆柱体的转动惯量。 四、 实验仪器 三线摆，米尺，游标卡尺，电子停表等，整体图如下：
三线摆的整体图三线摆：双击整体图中的三线摆，出现三线摆的界面。三线摆包含圆柱体，圆环，水平仪等，如下图所示。将水平仪分别拖动到三线摆支架上方和下圆盘中，测量三线摆是否水平，如下图：
三线摆的整体图 三线摆： 双击整体图中的三线摆，出现三线摆的界面。三线摆包含圆柱体，圆环，水 平仪等，如下图所示。 将水平仪分别拖动到三线摆支架上方和下圆盘中，测量三线摆是否水平，如 下图：