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利用刚体转动惯量实验仪验证转动定律 1 设计性实验项目的设计 设计物理实验是学生应用物理知识的一部分。根据教师的说明,他们自己分析和链接信息。根据现有的实验条件,独立设计实验方案,选择和安装实验设备,自己的实验操作步骤,并在规定的时间内完成实验。这将有助于提高学生的科学思维和创新精神,培养学生理论与实践相结合、分析和解决实际问题的能力,特别是在培养学生掌握适合现代发展的综合技能和创新能力方面。发挥着特殊的作用。 设计性实验项目不像测量、验证性实验那样稳定,多年不变,有些设计性实验项目经几届学生做过之后,部分学生会直接参考前几届学生的实验设计方案,这样就没有多少内容可独立设计和研究了,必须淘汰.设计性实验具有逐年充实新内容成滚动式发展的特色,只有这样,设计性实验才能保持先进性、创造性与有效性.而学校的资金有限,不可能经常购买新的实验仪器,这时利用实验室的闲置仪器进行重新设计与改装,把改装闲置实验仪器作为设计性实验的内容,就有了很现实的教学意义. 我校物理实验室有多套刚体转动惯量实验仪,该实验设计有缺陷,实验误差较大,闲置多年不用.在大学物理实验里,没有关于刚体定轴转动定律方面的实验.为了使闲置仪器再次利用,同时填补刚体定轴转动定律方面的实验空白,作者设计了一个“利用刚体转动惯量实验仪验证转动定律”的设计性实验.本实验要求利用实验室现有的气垫导轨实验用的JSJ-3A型数字毫秒计及光电门,对刚体转动惯量实验仪进行改装,以验证刚体定轴转动定律.本实验要求学生自主完成四部分内容:一是完成刚体转动惯量实验仪的改装,二是自主设计实验原理及内容,三是估测阻力矩,四是验证刚体定轴转动定律. 2 采用刚体换动规律分析 2.1 砝码ut/t 根据刚体转动惯量实验仪的仪器结构、实验内容及实验步骤,阅读参考文献,可知该实验仪在时间测量方面有缺陷.在实验中用停表测量砝码下落时间t,由于人体的反应约需要0.1s的时间,停表从开启到停止的误差可认为0.2s,停表本身的仪器误差相对小很多,可以忽略,因此可取Ut=0.2s.下落时间t随着测量条件不同而不同,当砝码质量为25g时,下落时间t约为5s,Ut/t达到4%.由公式mgr≈2hI/rt2可得 式中,m为砝码质量;r表示绕线半径;h为砝码下落距离;I表示实验仪系统的转动惯量. 从公式(1)可知,Ut/t的系数为2,Ut/t的影响达到8%,是影响UI/I的主要因素.要想减小转动惯量的误差,就要想办法提高时间t的测量精度.这时可对刚体转动实验仪进行改进,采用数字毫秒计或单片机来测量时间[6-10]. 2.2 均匀细杆的安装 刚体转动实验仪转动时会受到阻力的作用,阻力包含塔轮转轴的摩擦、滑轮转轴的摩擦;塔轮、均匀细杆及装在细杆上的圆柱形重物转动时空气的阻力;滑轮转动及砝码下落时空气的阻力.所有阻力对塔轮转轴的力矩统称为阻力矩Mμ,理论及实验测量均表明,阻力矩不是定值,与塔轮转轴及滑轮转轴的松紧、转速等有关.实验中要想办法减小阻力矩产生的影响[11,12]. 3 转轴和光电门之间的约束副 为了能够验证刚体定轴转动定律,需要对刚体转动惯量实验仪进行改装,改装后的实验装置如图1所示.在原刚体转动惯量实验仪的均匀细柱B的外端,垂直向下安装一宽15mm的遮光片K,遮光片边沿与转轴OO′平行,旁边放置一个光电门P,使遮光片刚好无阻碍地通过光电门,光电门的发射管与接收管连线与遮光片边沿垂直,把光电门与数字毫秒计连接,因该型数字毫秒计需要连接两光电门才能正常工作,可把另一光电门接好后放置在桌面上不用.均匀细柱B、B′不一定刚好在一条直线上,均匀细柱两端的角度不一定是π,只装一片遮光片时,遮光片转动一周时的角度是2π,可以提高测量角度的精度.为了提高速度的测量精度,遮光片的宽度不宜过大,可选5~15mm,遮光片的宽度要使数字毫秒计测到三位以上有效数字.遮光片对转轴OO′的转动惯量可归到刚体转动仪的本底转动惯量,不用考虑. 4 本文论述了刚定轴旋转定律的实验原理 4.1 刚体定轴转动定律的确定 根据刚体定轴转动定律,当刚体转动时,有 在实验过程中,保持g》a,则有[4,5] 当mgr-Mμ与β成正比时,刚体定轴转动定律成立.在刚体转动惯量实验仪的实验中,阻力矩Mμ的影响很大,必须估测阻力矩Mμ,才能较好地验证刚体定轴转动定律. 4.2 遮光片光照及拉力系统状况 如图1所示装配好仪器,使遮光片刚好通过光电门.刚体转速较小时,空气的阻力矩与转速成正比,当转速较高时,空气的阻力矩与转速的平方成正比,故刚体的转速不宜过高.刚体的转速由砝码质量m及绕线半径r决定,质量及半径越大,转速越高,因此绕线半径r不宜过大,半径一般可选r=15mm.让砝码从F附近静止自由下落,塔轮做匀加速转动,分别测出遮光片遮光时间 Δt1、Δt2、Δt3、Δt4.
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