测定刚体转动惯量【实验概述】转动惯量是描述刚体转动中惯性大小的物理量，它与刚体的质量分布及转轴位置有关。
正确测定物体的转动惯量，对于了解物体转动规律，机械设计制造有着非常重要的意义。
然而在实际工作中，大多数物体的几何形状都是不规则的，难以直接用理论公式算出其转动惯量，只能借助于实验的方法来实现。
因此，在工程技术中，用实验的方法来测定物体的转动惯量就有着十分重要的意义。
IM-2 刚体转动惯量实验仪，应用霍尔开关传感器结合计数计时多功能毫秒仪自动记录刚体在一定转矩作用下，转过π角位移的时刻，测定刚体转动时的角加速度和刚体的转动惯量。
因此本实验提供了一种测量刚体转动惯量的新方法，实验思路新颖、科学，测量数据精确，仪器结构合理，维护简单方便，是开展研究型实验教学的新仪器。
【实验目的】1.了解多功能计数，计时毫秒仪实时测量（时间）的基本方法。
2.用刚体转动法测定物体的转动惯量。
3.验证转动的平行轴定理。
4.验证刚体定轴转动惯量与外力矩无关。
【实验原理】1.转动力矩、转动惯量和角加速度的关系系统在外力矩作用下的运动方程（1）由牛顿第二定律，可知：砝码下落时的运动方程为：即绳子的张力砝码与系统脱离后的运动方程（2）由方程（1）和（2）可得：（3）2.角速度的测量（4）若在t1、t2时刻测得角位移θ1、θ2，则（5）（6）所以，由方程（5）和（6），可得：3.转动惯量J的理论公式1)设圆形试件，质量均匀分布，总质量为M，其对中心轴的转动惯量为J，外径为D1,，内径为D2，则2）平行轴定理：设转动体系的转动惯量为J0，当有M1的部分质量原理转轴平行移动d的距离后，则体系的转动惯量为：【实验器材】1.实验仪器IM-2刚体转动惯量实验仪（含霍尔开关传感器、计数计时多功能毫秒仪、一根细绳、一个质量为100g的砝码等，塔轮直径从下至上分别为30mm、40mm、50mm、60mm，载物台上的孔中心与圆盘中心的距离分别为40mm、80mm、120mm）（如下图）2.实验样品1)一个钢质圆环（内径为175mm，外径为215mm，质量为933g）2)两个钢质圆柱（直径为38mm，质量为400g）【实验步骤】1.实验准备在桌面上放置IM-2转动惯量实验仪，并利用基座上的三颗调平螺钉，将仪器调平。
将滑轮支架固定在实验台面边缘，调整滑轮高度及方位，使滑轮槽与选取的绕线塔轮槽等高，且其方位相互垂直。
通用电脑计时器上光电门的开关应接通，另一路断开作备用。
当用于本实验时，建议设置1个光电脉冲记数1次，1次测量记录大约20组数。
2.测量并计算实验台的转动惯量1)放置仪器，滑轮置于实验台外3-4cm处，调节仪器水平。
设置毫秒仪计数次数。
2)连接传感器与计数计时毫秒仪，调节霍尔开关与磁钢间距为0.4-0.6cm，转离磁钢，复位毫秒仪，转动到磁钢与霍尔开关相对时，毫秒仪低电平指示灯亮，开始计时和计数。
3)将质量为m=100g的砝码的一端打结，沿塔轮上开的细缝塞入，并整齐地绕于半径为r的塔轮。
4)调节滑轮的方向和高度，使挂线与绕线塔轮相切，挂线与绕线轮的中间呈水平。
5)释放砝码，砝码在重力作用下带动转动体系做加速度转动。
6)计数计时毫秒仪自动记录系统从0π开始作1π，2π……角位移相对应的时刻。
3.测量并计算实验台放上试样后的转动惯量将待测试样放上载物台并使试样几何中心轴与转动轴中心重合，按与测量空实验台转动惯量同样的方法可分别测量砝码作用下的角加速度β2与砝码脱离后的角加速度β1，由（3）式可计算实验台放上试样后的转动惯量J，再减去实验步骤2中算得的空实验台转动惯量即可得到所测试样的转动惯量。
将该测量值与理论值比较，计算测量值的相对误差。
4.验证平行轴定理将两圆柱体对称插入载物台上与中心距离为d的圆孔中，测量并计算两圆柱体在此位置的转动惯量，将测量值与理论计算值比较，计算测量值的相对误差。
5.验证刚体定轴转动惯量与外力矩无关通过改变塔轮直径对转盘施加不同的外力矩，测定在不同外力矩下转盘的转动惯量，与理论值进行比较，在一定允许的误差范围内验证结论。
【注意事项】1.正确连接霍尔开关传感器组件和毫秒仪，红线接+5接线柱，黑线接GND接线柱，黄线接INPUT接线柱。
2.霍尔传感器放置于合适的位置，当系统转过约π/2角位移后，毫秒仪开始计时计数。
3.挂线长度以挂线脱离绕线塔轮后，砝码离地3厘米左右为宜。
4.实验中，在砝码挂线脱离绕线塔轮前转动体系作正加速度β2，在砝码挂线脱离塔轮后转动体系作负加速度β1，须分清正加速度β2，到负加速度β1 的计时分界时刻。
5.数据处理时，系统作负加速度β1的开始时刻，可以选为分界处的下一时刻，角位移时间须减去该时刻。
6.实验中，砝码置于相同的高度后释放，以利数据一致。
【数据记录与数据处理】1.测量空盘的转动惯量d塔轮=40mm m砝码=100g2.测量空盘加圆环的转动惯量d塔轮=40mm m砝码=100g m圆环=933g d环外=215mm d环内=175mm圆环的转动惯量J环=J盘+环-J盘=0.0189-0.0136=0.0053kg·m2圆环转动惯量的理论值为J环理=0.5m环(r内2+r外2)=0.008963kg·m2误差百分比=|J环-J环理|/J环理×100%=40.9%3.验证平行轴定律1)圆柱距盘心距离d1=40mmd塔轮=40mm m砝码=100g m圆柱=400g圆柱（近）的转动惯量J 近柱=0.5(J 盘+近柱-J 盘)=0.5(0.0151-0.0136)=0.00075kg ·m 2 圆柱（近）转动惯量的理论值为J 近柱理=0.5m 圆柱r 圆柱2+m 圆柱d 12=0.000712kg ·m 2 误差百分比=|J 近柱-J 近柱理|/J 近柱理×100%=5.33%2) 圆柱距盘心距离d 2=80mmd 塔轮=40mm m 砝码=100g m 圆柱=400g圆柱（中）的转动惯量J 中柱=0.5(J 盘+中柱-J 盘)=0.5(0.0191-0.0136)=0.00275kg ·m 2 圆柱（中）转动惯量的理论值为J 中柱理=0.5m 圆柱r 圆柱2+m 圆柱d 22=0.002632kg ·m 2 误差百分比=|J 中柱-J 中柱理|/J 中柱理×100%=4.48%3) 圆柱距盘心距离d 3=120mmd 塔轮=40mm m 砝码=100g m 圆柱=400g圆柱（远）的转动惯量J远柱=0.5(J盘+远柱-J盘)=0.5(0.0235-0.0136)=0.00495kg·m2圆柱（远）转动惯量的理论值为J远柱理=0.5m圆柱r圆柱2+m圆柱d32=0.005832kg·m2误差百分比=|J远柱-J远柱理|/J远柱理×100%=15.12%4.验证转动惯量与外力矩无关d塔轮=50mm m砝码=100g与d塔轮=40mm测出的转动惯量相比，百分差=|J盘’-J盘|/J盘×100%=0.3%这说明转动惯量与外力矩无关。
附：实验数据记录表1. 测量空盘的转动惯量（d塔轮=40mm）实验次数 1 2 3 4 51 1.824 1.703 1.839 1.766 1.7452 2.908 2.767 2.928 2.843 2.8183 3.744 3.597 3.763 3.672 3.6444 4.468 4.311 4.489 4.396 4.3665 5.098 4.936 5.118 5.021 4.996 5.68 5.515 5.701 5.603 5.577 6.207 6.039 6.226 6.127 6.0938 6.708 6.538 6.728 6.628 6.5939 7.171 6.998 7.189 7.088 7.05210 7.617 7.443 7.636 7.534 7.49711 8.035 7.895 8.052 7.949 7.91112 8.453 8.276 8.47 8.367 8.32913 8.865 8.687 8.88 8.777 8.73714 9.286 9.107 9.3 9.198 9.15615 9.7 9.53 9.712 9.609 9.56616 10.123 9.942 10.134 10.032 9.98717 10.539 10.357 10.551 10.446 10.418 10.964 11.945 11.017 10.871 10.82319 11.382 14.95 14.023 11.287 11.23720 11.809 18.228 17.564 11.714 11.662脱落次数10 10 10 10 10 2. 测量空盘加圆环的转动惯量实验次数 1 2 3 4 51 1.841 1.968 3.08 2.036 2.0082 3.068 3.227 4.457 3.311 3.2773 4.029 4.203 5.487 4.294 4.2584 4.873 5.058 6.375 5.154 5.1155 5.607 5.799 7.139 5.898 5.8586 6.291 6.489 7.847 6.591 6.557 6.907 7.111 8.482 7.214 7.1738 7.489 7.705 9.088 7.81 7.7699 8.041 8.252 9.644 8.358 8.31610 8.568 8.782 10.182 8.889 8.84711 9.058 9.275 10.682 9.383 9.34112 9.553 9.772 11.185 9.881 9.8413 10.037 10.259 11.678 10.369 10.32814 10.534 10.758 12.183 10.869 10.82815 11.02 11.247 12.678 11.359 11.31916 11.519 11.749 13.186 11.862 11.82217 12.008 12.24 13.684 12.354 12.31418 12.51 12.744 14.195 12.86 12.8219 13.001 13.238 14.695 13.355 13.31520 13.505 13.744 15.209 13.863 13.823脱落次数10 10 10 10 10 3. 验证平行轴定律1)圆柱距盘心距离d1=40mm实验次数 1 2 3 4 51 2.054 2.027 1.916 1.577 1.7292 3.203 3.174 3.045 2.601 2.7933 4.077 4.046 3.91 3.445 3.6574 4.835 4.803 4.662 4.155 4.3795 5.489 5.456 5.312 4.803 5.0356 6.095 6.061 5.915 5.38 5.6197 6.641 6.606 6.458 5.926 6.178 7.162 7.126 6.976 6.425 6.6739 7.64 7.604 7.453 6.906 7.15810 8.104 8.067 7.915 7.352 7.60711 8.535 8.498 8.344 7.8 8.05812 8.969 8.932 8.778 8.241 8.50113 9.395 9.357 9.202 8.693 8.95514 9.832 9.794 9.637 9.136 9.415 10.259 10.222 10.063 9.59 9.85716 10.699 10.66 10.501 10.035 10.30517 11.129 11.09 10.93 10.492 10.76418 11.57 11.531 11.37 10.94 11.21419 12.003 11.963 11.801 11.399 11.67520 12.447 12.407 12.243 11.849 12.128脱落次数10 10 10 10 10 2)圆柱距盘心距离d2=80mm实验次数 1 2 31 1.739 1.669 1.8042 2.855 2.767 2.9363 3.77 3.673 3.8614 4.529 4.436 4.6375 5.239 5.133 5.3426 5.864 5.753 5.977 6.454 6.341 6.5648 6.994 6.879 7.1069 7.515 7.397 7.62810 7.999 7.877 8.11311 8.484 8.361 8.60112 8.96 8.835 9.0813 9.448 9.321 9.57114 9.927 9.797 10.05215 10.418 10.286 10.54616 10.899 10.765 11.0317 11.393 11.256 11.52618 11.877 11.738 12.01319 12.373 12.232 12.51220 12.86 12.716 13.001脱落次数10 10 103)圆柱距盘心距离d3=120mm实验次数 1 2 31 2.156 2.075 1.9072 3.448 3.349 3.1443 4.494 4.386 4.1644 5.366 5.254 5.0175 6.158 6.042 5.7986 6.862 6.743 6.4937 7.527 7.406 7.1528 8.133 8.011 7.7549 8.717 8.594 8.33310 9.258 9.134 8.87111 9.801 9.677 9.41212 10.334 10.209 9.94213 10.88 10.755 10.48614 11.415 11.291 11.01915 11.964 11.84 11.56616 1.502 12.378 12.10217 13.054 12.939 12.65118 13.595 13.471 13.1919 14.15 14.026 13.74320 14.694 14.571 14.285脱落次数10 10 104. 验证转动惯量与外力矩无关（d塔轮=50mm）实验次数 1 2 31 1.363 1.708 1.4512 2.255 2.309 2.3643 2.985 3.045 3.1044 3.601 3.665 3.7275 4.162 4.228 4.2926 4.664 4.731 4.797117 5.136 5.204 5.2728 5.57 5.639 5.7079 6.002 6.071 6.1410 6.427 6.496 6.56711 6.861 6.931 7.00312 7.288 7.359 7.43213 7.725 7.796 7.8714 8.155 8.226 8.30215 8.595 8.666 8.74316 9.027 9.099 9.17717 9.469 9.541 9.6218 9.904 9.976 10.05619 10.349 10.42 10.50220 10.787 10.858 10.941脱落次数8 7 812。