亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        利用剛體轉動慣量實驗儀驗證轉動定律的設計

        2014-09-27 09:01:42鄧鋰強
        物理與工程 2014年1期
        關鍵詞:實驗儀轉動慣量剛體

        鄧鋰強

        (廣東石油化工學院理學院,廣東 茂名 525000)

        1 設計性實驗需要滾動式發(fā)展

        設計性物理實驗,是一種讓學生應用所學的物理知識,根據指導教師提供的實驗題目,自主查閱參考資料;根據已有的實驗條件,自主設計實驗方案,自選與組裝實驗設備,自擬實驗操作步驟,在規(guī)定的時間內完成的實驗.這有利于培養(yǎng)學生的科學思維方式和創(chuàng)新精神,培養(yǎng)學生理論聯系實際、分析與解決實際問題的能力,特別對培養(yǎng)學生掌握與現代科技發(fā)展相適應的綜合能力和創(chuàng)新能力具有特殊的作用[1-3].

        設計性實驗項目不像測量、驗證性實驗那樣穩(wěn)定,多年不變,有些設計性實驗項目經幾屆學生做過之后,部分學生會直接參考前幾屆學生的實驗設計方案,這樣就沒有多少內容可獨立設計和研究了,必須淘汰.設計性實驗具有逐年充實新內容成滾動式發(fā)展的特色,只有這樣,設計性實驗才能保持先進性、創(chuàng)造性與有效性.而學校的資金有限,不可能經常購買新的實驗儀器,這時利用實驗室的閑置儀器進行重新設計與改裝,把改裝閑置實驗儀器作為設計性實驗的內容,就有了很現實的教學意義.

        我校物理實驗室有多套剛體轉動慣量實驗儀,該實驗設計有缺陷,實驗誤差較大,閑置多年不用.在大學物理實驗里,沒有關于剛體定軸轉動定律方面的實驗.為了使閑置儀器再次利用,同時填補剛體定軸轉動定律方面的實驗空白,作者設計了一個“利用剛體轉動慣量實驗儀驗證轉動定律”的設計性實驗.本實驗要求利用實驗室現有的氣墊導軌實驗用的JSJ-3A型數字毫秒計及光電門,對剛體轉動慣量實驗儀進行改裝,以驗證剛體定軸轉動定律.本實驗要求學生自主完成四部分內容:一是完成剛體轉動慣量實驗儀的改裝,二是自主設計實驗原理及內容,三是估測阻力矩,四是驗證剛體定軸轉動定律.

        2 剛體轉動慣量實驗儀分析

        2.1 時間測量的影響

        根據剛體轉動慣量實驗儀的儀器結構、實驗內容及實驗步驟,閱讀參考文獻[4,5],可知該實驗儀在時間測量方面有缺陷.在實驗中用停表測量砝碼下落時間t,由于人體的反應約需要0.1s的時間,停表從開啟到停止的誤差可認為0.2s,停表本身的儀器誤差相對小很多,可以忽略,因此可取Ut=0.2s.下落時間t隨著測量條件不同而不同,當砝碼質量為25g時,下落時間t約為達到4%.由公式可得[4,5]

        式中,m為砝碼質量;r表示繞線半徑;h為砝碼下落距離;Ⅰ表示實驗儀系統(tǒng)的轉動慣量.

        2.2 阻力矩的影響

        剛體轉動實驗儀轉動時會受到阻力的作用,阻力包含塔輪轉軸的摩擦、滑輪轉軸的摩擦;塔輪、均勻細桿及裝在細桿上的圓柱形重物轉動時空氣的阻力;滑輪轉動及砝碼下落時空氣的阻力.所有阻力對塔輪轉軸的力矩統(tǒng)稱為阻力矩Mμ,理論及實驗測量均表明,阻力矩不是定值,與塔輪轉軸及滑輪轉軸的松緊、轉速等有關.實驗中要想辦法減小阻力矩產生的影響[11,12].

        3 剛體轉動慣量實驗儀的改裝

        為了能夠驗證剛體定軸轉動定律,需要對剛體轉動慣量實驗儀進行改裝,改裝后的實驗裝置如圖1所示.在原剛體轉動慣量實驗儀的均勻細柱B的外端,垂直向下安裝一寬15mm的遮光片K,遮光片邊沿與轉軸OO′平行,旁邊放置一個光電門P,使遮光片剛好無阻礙地通過光電門,光電門的發(fā)射管與接收管連線與遮光片邊沿垂直,把光電門與數字毫秒計連接,因該型數字毫秒計需要連接兩光電門才能正常工作,可把另一光電門接好后放置在桌面上不用.均勻細柱B、B′不一定剛好在一條直線上,均勻細柱兩端的角度不一定是π,只裝一片遮光片時,遮光片轉動一周時的角度是2π,可以提高測量角度的精度.為了提高速度的測量精度,遮光片的寬度不宜過大,可選5~15mm,遮光片的寬度要使數字毫秒計測到三位以上有效數字.遮光片對轉軸OO′的轉動慣量可歸到剛體轉動儀的本底轉動慣量,不用考慮.

        圖1 剛體轉動慣量實驗儀改裝圖

        4 驗證剛體定軸轉動定律的實驗原理

        4.1 剛體定軸轉動定律

        根據剛體定軸轉動定律,當剛體轉動時,有

        在實驗過程中,保持g?a,則有[4,5]

        當mgr-Mμ與β成正比時,剛體定軸轉動定律成立.在剛體轉動慣量實驗儀的實驗中,阻力矩Mμ的影響很大,必須估測阻力矩Mμ,才能較好地驗證剛體定軸轉動定律.

        4.2 估測阻力矩Mμ

        如圖1所示裝配好儀器,使遮光片剛好通過光電門.剛體轉速較小時,空氣的阻力矩與轉速成正比,當轉速較高時,空氣的阻力矩與轉速的平方成正比,故剛體的轉速不宜過高.剛體的轉速由砝碼質量m及繞線半徑r決定,質量及半徑越大,轉速越高,因此繞線半徑r不宜過大,半徑一般可選r=15mm.讓砝碼從F附近靜止自由下落,塔輪做勻加速轉動,分別測出遮光片遮光時間Δt1、Δt2、Δt3、Δt4.

        因為剛體做勻加速轉動,有

        其中,t為遮光片從第一次遮光到第二次遮光所用的時間,θ=2π為遮光片從第一次遮光到第二次遮光轉動過的角度.根據轉動定律,有

        其中,M=m(g-a)r為塔輪受到的拉力矩;Mμ為塔輪受到的阻力矩,由式(7)及

        同樣可求得

        測出遮光片的遮光時間 Δt1、Δt2、Δt3、Δt4,忽略阻力矩Mμ的影響,根據公式(9)估算剛體系統(tǒng)的轉動慣量Ⅰ.取下塔輪上的細線及砝碼,用手輕推塔輪,使塔輪約以實驗時最大轉速的一半自由轉動,測出遮光片的遮光時間 Δt1、Δt2、Δt3、Δt4,根據式(10)計算出角加速度β,可得

        這樣估測的阻力矩Mμ不包含定滑輪C的阻力矩.

        4.3 驗證剛體定軸轉動定律

        保持r不變,改變砝碼的質量m,將細線卡在塔輪某一半徑的卡槽上,旋轉塔輪,讓細線密繞于塔輪上,使砝碼處于標記F附近,遮光片可在任意的位置處,調節(jié)定滑輪高度,使細線水平,這時剛體受到的拉力矩為Tr.讓砝碼從F附近靜止自由下落,塔輪做勻加速轉動,測出遮光片的遮光時間Δt1、Δt2、Δt3、Δt4.分別計算出合外力矩M′=mgr-Mμ與β,當合外力矩M′=mgr-Mμ與β成正比時,剛體定軸轉動定律成立.

        5 數據測量及分析

        5.1 實驗數據

        (1)計算阻力矩

        根據實驗數據,估算得阻力矩Mμ為:Mμ=Ⅰ(5,5′)β=-7.85×10-4(N·m).

        阻力矩Mμ與砝碼的拉力矩(g?a,忽略a的影響)之比如表1所示,所加砝碼質量不同,阻力矩Mμ與砝碼的拉力矩之比也不同;而且每臺儀器的阻力矩都不相同,同一臺儀器的狀態(tài)不同時阻力矩也不同.可見,阻力矩Mμ的影響極大,不能忽略.

        表1 阻力矩Mμ與砝碼的拉力矩M(=mgr)之比

        (2)驗證剛體定軸轉動定律

        測量并計算不同砝碼質量時的角加速度β及合外力矩M′=mgr-Mμ,得合外力矩M′=mgr-Mμ之比為(下標為砝碼質量)

        此時角加速度β之比為

        合外力矩M′=mgr-Mμ之比與角加速度β之比分別相差:1.8%、1.9%、1.6%,其比值基本相等,因此M=Ⅰβ成立.

        如果不考慮阻力矩的影響,砝碼的拉力矩M=mgr之比為

        砝碼的拉力矩M=mgr之比與角加速度β之比分別相差:14%、9.7%、4.8%,可見阻力矩的影響很大,如果不對阻力矩修正,誤差很大.

        5.2 誤差分析

        從上面的計算結果可知,實驗存在一定的誤差.產生誤差的原因主要有下面幾點:(1)估算的阻力矩Mμ偏大.(2)數字毫秒計的精度不夠高,只能達到三位有效數字.有條件的可選用精度更高的數字毫秒計,使測量結果有四位有效數字,可達到更高的精度.(3)遮光片的寬度較大,使得即時速度的測量誤差增大.當選用更高精度的數字毫秒計時,可以選取更小的遮光片的寬度,以提高測量精度.

        6 結語

        本實驗利用實驗室現有的氣墊導軌實驗用的JSJ-3A型數字毫秒計及光電門,對剛體轉動慣量實驗儀進行改裝,驗證剛體定軸轉動定律.這種改裝不用購買新儀器,節(jié)約資金,使閑置儀器再次利用.實驗裝置由學生自主設計,改裝后的剛體轉動慣量實驗儀可以對阻力矩Mμ進行估測并對阻力矩進行修正.實驗結果表明,經過這樣改裝后,剛體轉動慣量實驗儀能夠驗證剛體定軸轉動定律.通過完成本實驗,學生可以深入理解剛體轉動慣量及剛體動力學,掌握利用數字毫秒計和光電門改裝剛體轉動慣量實驗儀的方法,學會設計新的實驗,培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神和動手能力,取得了較好的效果.

        [1]劉海霞.物理實驗與培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的思考與實踐[J].實驗室研究與探索,2009,28(7):12-13.

        [2]王鐵云.改革物理實驗教學模式 培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索,2007,26(8):6-8.

        [3]劉燕,胡經國,周嵐.基礎物理實驗與設計性實驗銜接的探究與實踐[J].大學物理,2008,27(7):34-35.

        [4]呂斯驊,段家怟.基礎物理實驗[M].北京:北京大學出版社,2002.106-109.

        [5]周殿清.大學物理實驗[M].武漢:武漢大學出版社,2002.55-58.

        [6]劉志壯.剛體轉動慣量測量的研究[J].零陵學院學報,2002,23(2):55-57.

        [7]楊濤,任明放.剛體轉動慣量實驗中時間測量的改進方法[J].大學物理,2005,24(4):37-39.

        [8]辛玉鳳,賈新慧.剛體轉動慣量的實驗與設計[J].遼寧師專學報,1999,1(2):85-87.

        [9]馮旺軍.測定剛體轉動慣量的一種準確簡便方法[J].甘肅教育學院學報(自然科學版),2001,15(4):73-74.

        [10]王壽槐.剛體轉動實驗儀的改進研究[J].沙洋師范高等專科學校學報,2006(5):74-76.

        [11]張艷亮.剛體轉動慣量測定實驗中阻力矩與角速度關系的研究[J].大學物理實驗,2012,25(5):51-53.

        [12]王海林,司嶸嶸,李相銀.落體法測量剛體轉動慣量實驗中引起測量值偏離的因素分析[J].物理實驗,2012,32(5):25-27.

        [13]王學水,馬賀凱,王巖慶.基于RS-485協(xié)議的剛體轉動慣量測量實驗系統(tǒng)的設計[J].物理與工程,2010,20(3):37-40,54.

        猜你喜歡
        實驗儀轉動慣量剛體
        差值法巧求剛體轉動慣量
        三線擺測剛體轉動慣量誤差分析及改進
        反沖實驗儀的研究與制作
        槳距角和材料對風力發(fā)電功率的影響
        科技資訊(2018年21期)2018-01-26 10:25:30
        車載冷發(fā)射系統(tǒng)多剛體動力學快速仿真研究
        集成霍耳傳感器實驗儀
        物理實驗(2017年2期)2017-03-21 07:19:31
        剛體定點轉動的瞬軸、極面動態(tài)演示教具
        物理實驗(2015年10期)2015-02-28 17:36:56
        基于扭擺振動的轉動慣量識別方法
        地震作用下承臺剛體假定的適用性分析
        地震研究(2014年1期)2014-02-27 09:29:47
        利用真空變溫薄膜電阻實驗儀測量熱電材料特性參數
        物理與工程(2013年3期)2013-03-11 16:04:33
        少妇被日到高潮的视频| 台湾佬娱乐中文22vvvv| 日韩精品国产自在久久现线拍| 日本第一区二区三区视频| 九九精品国产亚洲av日韩| 国产亚洲精品a片久久久| 国产手机在线αⅴ片无码观看| 8090成人午夜精品无码| 美女被黑人巨大入侵的的视频| 国产精品爽爽ⅴa在线观看| 国产在线精品一区二区三区不卡| 精精国产xxxx视频在线播放器| 日本国产一区二区在线观看| 色偷偷偷在线视频播放| 午夜精品久久久久久中宇| 国产成人香蕉久久久久| 精品人妻码一区二区三区红楼视频| 人人做人人爽人人爱| 韩国三级中文字幕hd久久精品| 久久精品女人天堂AV一个| 狠色人妻丝袜中文字幕| 亚洲熟妇av日韩熟妇在线 | 欧美性猛交内射兽交老熟妇| 久久亚洲AV无码一区二区综合 | 男女av一区二区三区| 国产精品无码av一区二区三区| 国产精品视频免费的| 日韩精品国产精品亚洲毛片| 精品国产这么小也不放过| 亚洲在AV极品无码天堂手机版| av网页在线免费观看| 亚洲桃色视频在线观看一区| 国产精品成人国产乱| 免费一级欧美大片久久网| 精品亚洲国产日韩av一二三四区| 国产精品兄妹在线观看麻豆| 一国产区在线观看| 美国又粗又长久久性黄大片 | 伊人久久大香线蕉av网禁呦| 国产小屁孩cao大人| 久久婷婷综合激情亚洲狠狠 |