第３１卷第５期周口师范学院学报
２０１４年９月三线摆测量物体转动惯量实验方法的改进
张国玺１，丁 俊２
（１．郑州幼儿师范高等专科学校，河南郑州４５００００；
２．河南工程学院理学院，河南郑州４５１１９１）
摘 要：首先阐述了三线摆实验的研究意义与现状、原理与内容，接着在分析影响该实验精度因素的基础上，提出了周期测量、摆角控制和固定转轴装置的改进，其次在对三线摆实验进行误差分析中得出减小误差的几种优化方案，最后分别比较实验改进前后的精确度和实验效率，得出实验改进后实验精确度提高了１８倍之多，效率提高了近５倍的结论．
关键词：三线摆；转动惯量；误差分析；光控
中图分类号：Ｏ４－３４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１９４７６（２０１４）０５００５７０５
转动惯量是理论力学中的一个基本的物理量，
它是刚体转动时惯性的量度，其量值取决于物体的形状、质量分布以及所选转轴的位置．对于几何形状简单、质量分布均匀的刚体可以直接用公式计算出它相对于某一确定转轴的转动惯量．但是，对于外形复杂和质量分布不均匀的物体就只能通过实验的方法来精确地测定其转动惯量了，因此用实验的方法来测量刚体的转动惯量就显得更为重要．测量物体转动惯量的方法很多，如三摆线法、扭摆法等．其中三摆线法有着物理图像清楚、操作简便易行、适合各种形状等优点．因此，三线摆测量物体转动惯量的实验一直以来都是理工科物理实验中一个常见的实验项目．但是，三线摆法也有一些因传统的实验装置和依靠人类手工操作而引起实验误差的因素，笔者在分析引起该实验误差因素的基础上，对其进行改进．
［１］
在以往的研究中，２００１年，董英伟导出摆角与转动惯量测量表达式的关系，探讨了摆角、摆动次数的选择和空气阻尼对测量精度的影响；２００４
［２］
年，盛忠志等分析了刚体转动惯量测量公式的推导及所用的近似方法，以及各种近似对实验测量结
［３］
果的影响；２００６年，药树栋在推导三线摆测量刚体转动惯量公式的过程中，得出转动惯量的误差主要来源于摆动的最大角位移过大以及操作中测量周数、晃动和长度测量失误；２０１２年，葛宇宏和葛
［４］
志利指出三线摆法是测量转动惯量的常用方法；
［５］
１９９４年，单金德和李志源指出用数字毫秒计和光电管取代手工操作，使改进后的三线摆实验仪提
收稿日期：２０１４０５１７；修回日期：２０１４０６２０
高了测量精度；１９９６年，王淑贤介绍了三线摆测
物体转动惯量实验中用光控数字毫秒计测量周期的方法，提高了测量精度；２００３年，李建设和柳闻［７］
鹃指出在三线摆测量转动惯量的实验中，可以利用微机的串行口来记录三线摆的振动周期．以上研究都在一定程度上提高了实验效率．
［６］
１ 实验装置和步骤
１畅１ 实验装置的改进
实验设备为ＪＬ２４型三线摆、ＭＵＪ
Ⅱ型电
脑通用计数器（２个）、ＪＧＱ２５０ＨｅＮｅ激光器、气垫导轨光电门（２套）、ＧＫ１光电门试架（３个）．笔者就在王淑贤提出的用光控数字毫秒计测量周期方法的基础上，对其进行改进，以减小其装置在下盘质量分布不均匀方面的影响．首先介绍周期测量装置的设计与操作：
１）取一块镜片，裁取长度为６０ｍｍ，宽度为１０ｃｍ（宽度要大于所待测环的高度）的平面镜３片；
２）将３片平面镜，按图１所示对接在一起（镜面朝外），形成一个三角形镜面体；
３）将一组同心圆用Ａ４纸打印出来，粘到三线摆的下盘上，使同心圆的圆心与下盘圆心重合；４）将三角形镜面体放在三线摆的下盘上，使三角镜面体的三个镜面均与下盘上其中一个圆相切；
５）将光电门的光线发射装置和光线接收装置分开，利用反射定理调解光线发射装置和光线接收
作者简介：张国玺（１９６６－），女，河南郑州人，副教授，硕士，研究方向：物理与科学教育．