TH-I型智能轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)儀安裝指南

1、TH-I型智能轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)儀安裝指南 用戶收到實(shí)驗(yàn)儀包裝箱后，請(qǐng)按下列步驟安裝檢驗(yàn)儀器是否正常：1. 打開實(shí)驗(yàn)儀包裝箱，按裝箱單上列出的配件清單檢查各配件是否完備，運(yùn)輸途中有無(wú)損壞。2將扭擺放置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，調(diào)整扭擺基座底腳螺絲，使水平儀的氣泡位于中心。3通過(guò)扭擺上的緊固螺絲將金屬載物盤緊固于扭擺上。4將光電探頭緊固于金屬支架上，調(diào)整光電探頭在固定支架上的高度，使載物盤上的擋光桿處于其缺口中央且能遮住發(fā)射、接收紅外光線的小孔，并能自由往返地通過(guò)光電門，將光電傳感器的信號(hào)傳輸線連接到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀后面板上的信號(hào)輸入端插座。 5分別將高矮塑料圓柱體金屬圓筒垂直放在載物盤上，測(cè)定擺動(dòng)周期。 6旋轉(zhuǎn)扭擺

2、上的緊固螺絲將金屬載物盤從扭擺上取下，將木球緊固于扭擺上，調(diào)整光電探頭的位置使木球上的擋光桿能自由往返地通過(guò)光電門，測(cè)定擺動(dòng)周期。7旋轉(zhuǎn)扭擺上的緊固螺絲將木球從扭擺上取下，將夾具緊固于扭擺上，將驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平行軸定理用的細(xì)金屬桿插進(jìn)夾具的孔中，使位于金屬細(xì)桿中央的凹槽對(duì)準(zhǔn)夾具上的固定螺絲并加以固定。測(cè)定細(xì)金屬桿擺動(dòng)周期，將滑塊對(duì)稱放置在細(xì)桿兩邊的凹槽內(nèi)，此時(shí)滑塊質(zhì)心離轉(zhuǎn)軸的距離分別為5.00，10.00，15.00，20.00，25.00厘米，測(cè)定擺動(dòng)周期。經(jīng)過(guò)以上步驟檢查儀器后即可投入使用。THI型智能轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)儀使用說(shuō)明書 一、產(chǎn)品簡(jiǎn)介 TH-I型智能轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)儀是我企業(yè)研制、開發(fā)的智

3、能化物理實(shí)驗(yàn)儀器，廣泛用于高校物理實(shí)驗(yàn)室測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)的周期以及旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。能自動(dòng)記錄、存貯，處理多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并能精確計(jì)算出多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。 TH-I型智能轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)儀采用新型的單片機(jī)作控制系統(tǒng)，具有精度高、功能強(qiáng)、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)。 二、性能指標(biāo) 1供電電源 AC220V±10 50Hz 2信號(hào)輸入方式 光電傳感器信號(hào)輸入或TTL、CMOS的脈沖電平 3顯示方式 參量、數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)碼管顯示，狀態(tài)指示由發(fā)光二極管指示 4操作方法 鍵盤操作 5計(jì)時(shí)精度 0.001S 6最大計(jì)時(shí) 1000.000S 7功耗 1W 8環(huán)境溫度 540 9體積 220mm×2

4、04mm×100mm （L×W×H）三、使用說(shuō)明 TH-I型智能轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)儀測(cè)試面板圖如圖（3）所示。1.開啟主機(jī)電源后擺動(dòng)指示燈亮，參量顯示“P1”，數(shù)據(jù)顯示“”，若情況異常（死機(jī)），可按復(fù)位鍵，即可恢復(fù)正常。按鍵“功能”、“置數(shù)”、“執(zhí)行”、“查詢”、“自檢”、“返回”有效。開機(jī)默認(rèn)狀態(tài)為“擺動(dòng)”，默認(rèn)周期數(shù)為10，執(zhí)行數(shù)據(jù)皆空，為0。 2功能選擇 按“功能”鍵，可以選擇扭擺、轉(zhuǎn)動(dòng)兩種功能（開機(jī)及復(fù)位默認(rèn)值為擺動(dòng)）。 3置數(shù)按“置數(shù)”鍵，參量顯示“n”，數(shù)據(jù)顯示“10”，按“上調(diào)”鍵，周期數(shù)依次加1，按“下調(diào)”鍵，周期數(shù)依次減1，周期數(shù)能在120范圍內(nèi)任意設(shè)

5、定，再按“置數(shù)”鍵確認(rèn)，顯示“F1 end”或“F2 end”。更改后的周期數(shù)不具有記憶功能，一旦切斷電源或按“復(fù)位”鍵，便恢復(fù)原來(lái)的默認(rèn)周期數(shù)。周期數(shù)一旦預(yù)置完畢，除切斷電源、復(fù)位和再次置數(shù)外，其它操作均不改變預(yù)置的周期數(shù)。圖 （3）4執(zhí)行按“執(zhí)行”鍵，數(shù)據(jù)顯示為“000.0”，表示儀器已處在等待測(cè)量狀態(tài)，此時(shí)，當(dāng)被測(cè)的往復(fù)擺動(dòng)物體上的擋光桿第一次通過(guò)光電門時(shí)，由“數(shù)據(jù)顯示”給出累計(jì)的時(shí)間，同時(shí)儀器自行計(jì)算周期C1予以存貯，以供查詢和作多次測(cè)量求平均值，至此，P1（第一次測(cè)量）測(cè)量完畢。再次按“執(zhí)行”鍵，“P1”變?yōu)椤癙2”，數(shù)據(jù)顯示又回到“000.0”，儀器處在第二次待測(cè)狀態(tài)，本機(jī)設(shè)定重復(fù)

6、測(cè)量的最多次數(shù)為5次，即（P1，P2P5）。通過(guò)“查詢”鍵可知各次測(cè)量的周期值C1（I 1，25）以及它們的平均值CA。以擺動(dòng)為例將剛體水平旋轉(zhuǎn)約90°后讓其自由擺動(dòng)，按“執(zhí)行”鍵，即時(shí)儀器顯示“P1 000.0",當(dāng)被測(cè)物體上的擋光桿第一次通過(guò)光電門時(shí)開始計(jì)時(shí),同時(shí),狀態(tài)指示的計(jì)時(shí)指示燈點(diǎn)亮,隨著剛體的擺動(dòng),儀器開始連續(xù)計(jì)時(shí),直到周期數(shù)等于設(shè)定值時(shí),停止計(jì)時(shí),計(jì)時(shí)指示燈隨之熄滅,此時(shí)儀器顯示第一次測(cè)量的總時(shí)間。重復(fù)上述步驟,可進(jìn)行多次測(cè)量。本機(jī)設(shè)定重復(fù)測(cè)量的最多次數(shù)為5次,即(P1、P2、P3、P4、P5)。執(zhí)行鍵還具有修改功能，例如要修改第三組數(shù)據(jù)，按執(zhí)行鍵直到出現(xiàn)“P

7、3 000.0”后，重新測(cè)量第三組數(shù)據(jù)。 5查詢 按“查詢”鍵，可查詢每次測(cè)量的周期（C1-C5）和多次測(cè)量的周期平均值CA，及當(dāng)前的周期數(shù)n，若顯示“NO”表示沒有數(shù)據(jù)。 6自檢 按“自檢”鍵，儀器應(yīng)依次顯示“n=N-1”，“2n=N-1”，“SC GOOD”，并自動(dòng)復(fù)位到“P1-”，表示單片機(jī)工作正常。 7返回 按“返回”鍵，系統(tǒng)將無(wú)條件的回到最初狀態(tài)，清除當(dāng)前狀態(tài)的所有執(zhí)行數(shù)據(jù)，但預(yù)置周期數(shù)不改變。 8復(fù)位 按“復(fù)位”鍵，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)全部清除，所有參量恢復(fù)初始時(shí)的默認(rèn)值。四、顯示信息說(shuō)明 P1 初始狀態(tài) n=N-1 轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)時(shí)的脈沖次數(shù)N與周期數(shù)n的關(guān)系 2n=N-1 擺動(dòng)計(jì)時(shí)的脈沖次數(shù)N

8、與周期數(shù)n的關(guān)系 n=10 當(dāng)前狀態(tài)的預(yù)置周期數(shù) F1 end 擺動(dòng)周期預(yù)置確定 F2 end 轉(zhuǎn)動(dòng)周期預(yù)置確定 Px 000.0 執(zhí)行第X次測(cè)量（X為15） Cx xxx.x 查詢第X次測(cè)量（X為15，A） SC Good 自檢正常五、注意事項(xiàng) 1在使用過(guò)程中，若遇強(qiáng)磁場(chǎng)等原因而使系統(tǒng)死機(jī)，請(qǐng)按“復(fù)位”鍵或關(guān)閉電源重新啟動(dòng)。但以前的一切數(shù)據(jù)都將丟失。 2為提高測(cè)量精度，應(yīng)先讓扭擺自由擺動(dòng)，然后按“執(zhí)行”鍵進(jìn)行計(jì)時(shí)。扭擺法測(cè)定物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是剛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性大小的量度,是表明剛體特性的一個(gè)物理量.剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量除了與物體質(zhì)量有關(guān)外,還與轉(zhuǎn)軸的位置和質(zhì)量分布(即形狀、大小和密度分布)有關(guān)。如

9、果剛體形狀簡(jiǎn)單，且質(zhì)量分布均勻，可以直接計(jì)算出它繞特定轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。對(duì)于形狀復(fù)雜,質(zhì)量分布不均勻的剛體,計(jì)算將極為復(fù)雜,通常采用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定,例如機(jī)械部件,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和槍炮的彈丸等。 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量,一般都是使剛體以一定形式運(yùn)動(dòng),通過(guò)表征這種運(yùn)動(dòng)特征的物理量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的關(guān)系,進(jìn)行轉(zhuǎn)換測(cè)量.本實(shí)驗(yàn)使物體作扭轉(zhuǎn)擺動(dòng),由擺動(dòng)周期及其它參數(shù)的測(cè)定計(jì)算出物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 用扭擺測(cè)定幾種不同形狀物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和彈簧的扭轉(zhuǎn)常數(shù),并與理論值進(jìn)行比較。2. 驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平行軸定理。二、實(shí)驗(yàn)原理扭擺的構(gòu)造如圖（1）所示，在垂直軸1上裝有一根薄片狀的螺旋彈簧2，用以產(chǎn)生恢復(fù)力矩。在軸的上方可以

10、裝上各種待測(cè)物體。垂直軸與支座間裝有軸承，以降低磨擦力矩。3為水平儀，用來(lái)調(diào)整系統(tǒng)平衡。將物體在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)一角度后，在彈簧的恢復(fù)力矩作用下物體就開始繞垂直軸作往返扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)虎克定律，彈簧受扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的恢復(fù)力矩M與所轉(zhuǎn)過(guò)的角度成正比，即 MK （1） 式中，K為彈簧的扭轉(zhuǎn)常數(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)定律 MI 式中，I為物體繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為角加速度，由上式得 （2） 圖 （1） 令 ,忽略軸承的磨擦阻力矩，由式（1）、（2）得 上述方程表示扭擺運(yùn)動(dòng)具有角簡(jiǎn)諧振動(dòng)的特性，角加速度與角位移成正比，且方向相反。此方程的解為： Acos(t) 式中，A為諧振動(dòng)的角振幅，為初相位角，為角速度，此諧振動(dòng)的周期為

11、 （3） 由式（3）可知，只要實(shí)驗(yàn)測(cè)得物體扭擺的擺動(dòng)周期，并在I和K中任何一個(gè)量已知時(shí)即可計(jì)算出另一個(gè)量。本實(shí)驗(yàn)用一個(gè)幾何形狀規(guī)則的物體，它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以根據(jù)它的質(zhì)量和幾何尺寸用理論公式直接計(jì)算得到，再算出本儀器彈簧的扭轉(zhuǎn)常數(shù)K值。若要測(cè)定其它形狀物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，只需將待測(cè)物體安放在本儀器頂部的各種夾具上，測(cè)定其擺動(dòng)周期，由公式（3）即可算出該物體繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。理論分析證明，若質(zhì)量為m的物體繞通過(guò)質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為IO時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)軸平行移動(dòng)距離x時(shí)，則此物體對(duì)新軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變?yōu)镮Omx2。這稱為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的平行軸定理。三、實(shí)驗(yàn)儀器1扭擺及幾種有規(guī)則的待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的物體空心金屬圓筒、實(shí)心高矮塑

12、料圓柱體、木球、驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平行軸定理用的金屬細(xì)桿，桿上有兩塊可以自由移動(dòng)的金屬滑塊。2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀由主機(jī)和光電傳感器兩部分組成。主機(jī)采用新型的單片機(jī)作控制系統(tǒng)，用于測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)的周期，以及旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速，能自動(dòng)記錄、存貯多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并能夠精確地計(jì)算多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。光電傳感器主要由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)，送入主機(jī)工作。因人眼無(wú)法直接觀察儀器工作是否正常，但可用遮光物體往返遮擋光電探頭發(fā)射光束通路，檢查計(jì)時(shí)器是否開始計(jì)時(shí)和到預(yù)定周期數(shù)時(shí)，是否停止計(jì)時(shí)。為防止過(guò)強(qiáng)光線對(duì)光探頭的影響，光電探頭不能置放在強(qiáng)光下，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用窗簾遮光，確保計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確。3. 數(shù)字式

13、電子臺(tái)秤數(shù)字式電子臺(tái)秤是利用數(shù)字電路和壓力傳感器組成的一種臺(tái)秤。本實(shí)驗(yàn)所用的臺(tái)秤，稱量為1.999kg，分度值為1g，儀器誤差為1g。使用前應(yīng)檢查零讀數(shù)是否為“0”。若顯示值在空載時(shí)不是“0”值，可以調(diào)節(jié)臺(tái)秤右側(cè)方的手輪，使顯示值為“0”。物體放在稱盤上即可從顯示窗直接讀出該物體的重量（近似看作質(zhì)量m）,最后一位出現(xiàn)±1的跳動(dòng)屬正?，F(xiàn)象。4游標(biāo)卡尺四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1熟悉扭擺的構(gòu)造及使用方法，以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀的使用方法。 2測(cè)定扭擺的扭轉(zhuǎn)常數(shù)（彈簧的扭轉(zhuǎn)常數(shù)）K。 3測(cè)定塑料圓柱體、金屬圓筒、木球與金屬細(xì)桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。并與理論值比較，求百分誤差。4 改變滑塊在金屬細(xì)桿上的位置，驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)

14、慣量平行軸定理。五、實(shí)驗(yàn)步驟 1用游標(biāo)卡尺測(cè)出實(shí)心塑料圓柱體的外徑D1、空心金屬圓筒的內(nèi)、外徑D內(nèi)、D外、木球直徑D直、金屬細(xì)桿長(zhǎng)度L；用數(shù)字式電子臺(tái)秤測(cè)出各物體質(zhì)量m（各測(cè)量3次求平均值）。 2調(diào)整扭擺基座底腳螺絲，使水平儀的氣泡位于中心。 3在轉(zhuǎn)軸上裝上對(duì)此軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為IO的金屬載物圓盤，并調(diào)整光電探頭的位置使載物圓盤上的擋光桿處于其缺口中央且能遮住發(fā)射、接收紅外光線的小孔，并能自由往返的通過(guò)光電門。測(cè)量10個(gè)擺動(dòng)周期所需要的時(shí)間10T0。4 將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I1（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I1的數(shù)值可由塑料圓柱體的質(zhì)量m1和外徑D1算出，即 ）的塑料圓柱體放在金屬載物圓盤上，則總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為IO+I1，測(cè)量

15、10個(gè)擺動(dòng)周期所需要的時(shí)間10T1。由式（3）可得出 或則彈簧的扭轉(zhuǎn)常數(shù) （4）在SI制中K的單位為kg·m2·s-2(或N·m)。5取下塑料圓柱體，裝上金屬圓筒，測(cè)量10個(gè)擺動(dòng)周期需要的時(shí)間10T2。6取下金屬載物圓盤、裝上木球，測(cè)量10個(gè)擺動(dòng)周期需要的時(shí)間10T3。（在計(jì)算木球的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，應(yīng)扣除夾具的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I支座）。7取下木球，裝上金屬細(xì)桿，使金屬細(xì)桿中央的凹槽對(duì)準(zhǔn)夾具上的固定螺絲，并保持水平。測(cè)量10 個(gè)擺動(dòng)周期需要的時(shí)間10T4。（在計(jì)算金屬細(xì)桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，應(yīng)扣除夾具的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I夾具）。8驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平衡軸定理將金屬滑塊對(duì)稱放置在金屬細(xì)桿兩邊的凹槽內(nèi)

16、，如圖（2）所示，此時(shí)滑塊質(zhì)心與轉(zhuǎn)軸的距離x分別為5.00cm，10.00cm,15.00cm,20.00cm，25.00cm，測(cè)量對(duì)應(yīng)于不同距離時(shí)的5個(gè)擺動(dòng)周期所需要的時(shí)間5T。驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平行軸定理。（在計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，應(yīng)扣除夾具的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I夾具）。圖 （2）六、數(shù)據(jù)記錄和處理1彈簧扭轉(zhuǎn)常數(shù)K和各物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I的確定，數(shù)據(jù)記錄見表1，彈簧扭轉(zhuǎn)常數(shù) 2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平衡軸定理的驗(yàn)證，數(shù)據(jù)記錄見表2。七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1彈簧的扭轉(zhuǎn)常數(shù)K值不是固定常數(shù)，它與擺動(dòng)角度略有關(guān)系，擺角在90o右基本相同，在小角度時(shí)變小。2彈簧有一定的使用壽命和強(qiáng)度，千萬(wàn)不要隨意玩弄彈簧，為了降低實(shí)驗(yàn)時(shí)由于擺動(dòng)角度變化過(guò)大帶來(lái)

17、的系統(tǒng)誤差，在測(cè)定各種物體的擺動(dòng)周期時(shí)，擺角不宜過(guò)小，也不宜過(guò)大,擺幅也不宜變化過(guò)大。3光電探頭宜放置在擋光桿平衡位置處，擋光桿不能和它相接觸，以免增大摩擦力矩。4機(jī)座應(yīng)保持水平狀態(tài)。5安裝待測(cè)物體時(shí)，其支架必須全部套入扭擺主軸，并將止動(dòng)螺絲旋緊，否則扭擺不能正常工作。6在稱木球與金屬細(xì)桿的質(zhì)量時(shí)，必須分別將支座和夾具取下，否則將帶來(lái)極大誤差。八、思考題1實(shí)驗(yàn)中，為什么在稱木球和細(xì)桿的質(zhì)量時(shí)必須分別將支座和安裝夾具取下？2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)儀計(jì)時(shí)精度為0.001s,實(shí)驗(yàn)中為什么 要測(cè)量10T？3. 如何用本實(shí)驗(yàn)儀來(lái)測(cè)定任意形狀物體繞特定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量？表1物體名稱質(zhì)量(kg)幾何尺寸D/L（102m）周期T(s)轉(zhuǎn)動(dòng)