一种测量刚体转动惯量的装置和方法

技术领域

本发明属于测量实验技术领域，涉及一种测量刚体转动惯量的装置和方法。

背景技术

转动惯量是描述刚体转动惯性大小的物理量，是研究和描述刚体转动规律的一个重要物理量。通常，实验测量转动惯量的方法可分为动力法和振动法两类，动力法测量转动惯是指利用转动定律，通过对物体转动时所受力矩和角加速度的测量从而获得转动惯量，其实验原理直观易于理解，其使用的塔轮型刚体转动实验仪易于组装，实验操作步骤简单，但其转动系统阻力矩较大，塔轮在转动过程中甚至会出现匀速转动等现象，此外该实验系统仅限于测定塔轮型物体的转动惯量，不易于测量其他各种不同形状物体的转动惯量。与之相比，基于振动法的三线摆测量物体转动惯量实验仪易于实现多种不同形状物体的转动惯量测量(圆盘，圆环等)。但三线摆法实验原理和实验仪器复杂，不利于直观体现转动规律和实验操作，由于受仪器结构限制，摆线长等实验参数测量不精确。此外，在转动过程中，圆盘容易出现晃动，导致转动轴的改变。

发明内容

本发明一个目的在于针对背景技术中存在的问题，提供一种测量刚体转动惯量的装置。

本发明包括悬浮装置、测量装置和拉动装置。

所述的悬浮装置包括置于水平测试台上的容器，托盘水平固定设置在容器内；所述的托盘为圆形薄板，贯穿托盘开有多个截面为T形的圆通孔，每个圆通孔内设置有钇钡铜氧圆片；所述的容器内装有液氮，液氮的液面高于钇钡铜氧圆片，钇钡铜氧圆片完全浸在液氮中，容器的开口处盖有盖板。

所述的测量装置设置在磁悬浮发生装置上方，包括钕铁磁平台、绕线轴和光电门；所述的钕铁磁平台为圆盘形，绕线轴设置在钕铁磁平台下方，且与钕铁磁平台同轴设置；所述的钕铁磁平台水平设置，其边沿对称设置两个遮光条，光电门位置与遮光条对应，钕铁磁平台转动过程中，两个遮光条依次通过光电门。

所述的拉动装置包括设置在容器两侧的两个定滑轮，缠绕在绕线轴的拉绳经过定滑轮后连接砝码。

进一步，多个圆通孔在托盘上沿同一圆周均匀开设。

本发明的另一个目的是提供一种利用该装置测量刚体转动惯量的方法，待测物刚体为圆盘形、圆环形、圆筒形或圆柱体。具体方法是：

步骤(1).将钕铁磁平台和绕线轴组装在一起，置于容器上方一定高度，保持悬浮状态；

步骤(2).拉绳一端连接砝码，另一端缠绕在绕线轴上；

步骤(3).调整光电门高度，与遮光条位置对应，接通光电门；

步骤(4).将两侧砝码从离地面h处同时释放，砝码落地后绕线轴带动钕铁磁平台匀速旋转；

步骤(5).通过光电门计数器进行计数，记录S

步骤(6).计算钕铁磁平台和绕线轴整体的转动惯量

步骤(7).关闭光电门，将待测物固定安装在钕铁磁平台上，并与钕铁磁平台同轴设置；

步骤(8).重新调整光电门高度，与遮光条位置对应，接通光电门；

步骤(9).采用步骤(4)～(6)相同方法测得待测物连同钕铁磁平台和绕线轴整体的转动惯量

步骤(10).计算得到测量的待测物转动惯量I＝I

步骤(11).关闭光电门，取下待测物，测量待测物的质量m′；对于圆盘形或圆柱体的待测物，测量其端面半径R，计算其实际转动惯量

步骤(12).将测量值I与实际值I′对比，计算误差，完成实验。

本发明利用磁悬浮原理将待测物通过钕铁磁平台悬浮在空中，转动过程中避免产生摩擦力，只存在微小的空气阻力(基本可以忽略)，同时仅通过计量钕铁磁平台单位时间转动圈数，实验结果更为准确。本发明方法操作简单、方便计量，并且误差较小。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为图1中托盘的平面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种测量刚体转动惯量的装置，包括悬浮装置、测量装置和拉动装置。

悬浮装置包括置于水平测试台上的容器1，容器1内水平固定设置有托盘2。如图1和2，托盘2为圆形薄板，在圆形薄板的同一圆周上贯穿托盘开有多个截面为T形的圆通孔3，每个圆通孔内设置有钇钡铜氧圆片4。容器1内装有液氮5，液氮5液面高于钇钡铜氧圆片4，钇钡铜氧圆片4浸在液氮5中，容器1开口盖有盖板6。将钇钡铜氧圆片浸在液氮中，能够与强磁场的磁铁能够构建成超导磁悬浮平台，将磁铁悬浮在空中。

测量装置设置在磁悬浮发生装置上方，测量装置包括钕铁磁平台7、绕线轴8和光电门9，钕铁磁平台7为圆盘形，绕线轴8设置在钕铁磁平台7下方，且与钕铁磁平台7同轴设置。钕铁磁平台7水平设置，其边沿对称设置两个遮光条10，光电门9位置与遮光条10对应，钕铁磁平台7转动过程中，两个遮光条10依次通过光电门9。

拉动装置包括设置在容器1两侧的两个定滑轮11，缠绕在绕线轴8的拉绳12经过定滑轮后连接砝码13。

具体测量方法是：

步骤1.将钕铁磁平台和绕线轴组装在一起，置于容器上方一定高度，保持悬浮状态；

步骤2.拉绳一端连接砝码，另一个端缠绕在绕线轴上，为防止拉绳打滑，需要多绕几圈；

步骤3.调整光电门高度，与遮光条位置对应，接通光电门；

步骤4.将两侧砝码从离地面h处同时释放，砝码落地后绕线轴带动钕铁磁平台匀速旋转；

步骤5.光电门计数器进行计数，记录S

步骤6.计算钕铁磁平台和绕线轴整体的转动惯量

原理是：两个砝码同时下落，其释放能量为mgh

步骤7.关闭光电门，将待测物固定安装在钕铁磁平台上的中心位置；待测物为圆盘形、圆环形、圆筒形或圆柱体的刚体，与钕铁磁平台同轴设置；

步骤8.重新调整光电门高度，与遮光条位置对应，接通光电门；

步骤9.采用步骤4～6相同的方法测得待测物连同钕铁磁平台和绕线轴整体的转动惯量

步骤10.计算得到测量的待测物转动惯量I＝I

步骤11.关闭光电门，取下待测物，测量待测物的质量m′；对于圆盘形或圆柱体的待测物，测量其端面半径R，计算其实际转动惯量

步骤12.将测量值I与实际值I′对比，计算误差，完成实验。

该装置还可以验证平行轴定理：

1.在钕铁磁平台上对称放置两个相同的小圆柱，测量一个圆柱的质量m

2.计算得到小圆柱绕其中心轴线的转动惯量I

可以看出T

3.要验证平行轴定理，只需验证T