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物理实验报告

来源:韩美范文网 时间:2015-07-18

物理 实验报告 指导教师

同组者 实验日期 2003 年9月21日

实验名称 实验一 测量物质的密度

一、实验目的:

掌握用流体静力称衡法测密度的原理。

了解比重瓶法测密度的特点。

掌握比重瓶的用法。

掌握物理天平的使用方法。

二、实验原理:

物体的密度,为物体质量,为物体体积。通常情况下,测量物体密度有以下三种方法:

1、对于形状规则物体

根据,可通过物理天平直接测量出来,可用长度测量仪器测量相关长度,然后计算出体积。再将、带入密度公式,求得密度。

2、对于形状不规则的物体用流体静力称衡法测定密度。

测固体(铜环)密度

根据阿基米德原理,浸在液体中的物体要受到液体向上的浮力,浮力大小为。如果将固体(铜环)分别放在空气中和浸没在水中称衡,得到的质量分别为、,则

 

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② 测液体(盐水)的密度

将物体(铜环)分别放在空气、水和待测液体(盐水)中,测出其质量分别为、和,同理可得

 

③ 测石蜡的密度

石蜡密度

---------石蜡在空气中的质量

--------石蜡和铜环都放在水中时称得的二者质量

--------石蜡在空气中,铜环放在水中时称得二者质量

3、用比重瓶法测定液体和不溶于液体的固体小颗粒的密度

①测液体的密度

--------空比重瓶的质量

---------盛满待测液体时比重瓶的质量

---------盛满与待测液体同温度的纯水的比重瓶的质量

.固体颗粒的密度为。

----------待测细小固体的质量

---------盛满水后比重瓶及水的质量

---------比重瓶、水及待测固体的总质量

三、实验用具:TW—05型物理天平、纯水、吸水纸、细绳、塑料杯、比重瓶

待测物体:铜环和盐水、石蜡

四、实验步骤:

调整天平

⑴调水平 旋转底脚螺丝,使水平仪的气泡位于中心。

⑵调空载平衡 空载时,调节横梁两端的调节螺母,启动制动旋钮,使天平横梁抬起后,天平指针指中间或摆动格数相等。

用流体静力称衡法测量铜环和盐水的密度

⑴先把物体用细线挂在天平左边的秤钩上,用天平称出铜环在空气中质量。

⑵然后在左边的托盘上放上盛有纯水的塑料杯。将铜环放入纯水中,称得铜环在水中的质量。

⑶将塑料杯中的水倒掉,换上盐水重复上一步,称出铜环在盐水中的质量。

⑷将测得数据代入公式计算。

测石蜡的密度

测量石蜡单独在空气中的质量,石蜡和铜环全部浸入水中对应的质量,石蜡吊入空中,铜环浸入水中时的质量。代入公式计算。

4、用比重瓶法测定盐水和不溶于液体的细小铅条的密度

⑴测空比重瓶的质量。

⑵测盛满与待测盐水同温度的纯水的比重瓶的质量。

⑶测盛满盐水时比重瓶的质量。

⑷测待测细小铅条的质量。

⑸测比重瓶、水及待测固体的总质量。

5、记录水温、湿度及大气压强。

五、数据及数据处理:

(一)用流体静力称衡法测定铜环、盐水和石蜡的密度

水温 水的密度 湿度

大气压强

136.32 120.55 119.76 49.24 118.74 170.25

铜块密度

盐水密度

石蜡密度

(二)用比重瓶法测密度

测定盐水的密度

水温 水的密度 湿度

大气压强

 

26.55 74.57 76.27 0.05

待测盐水的密度

测定细小铅条的密度

水温 水的密度 湿度

大气压强

32.36 74.57 104.20 0.05

待测铅条的密度

六、总结

通过实验掌握了用流体静力称衡法测定固体、液体密度的方法。

掌握了物理天平的使用方法和操作过程中应注意的事项。

掌握了采用比重瓶测密度的方法。但让液流沿着瓶壁慢慢地流进瓶中,避免在瓶壁产生气泡较难。

通过处理数据,进一步熟悉了有效数字、不确定度等基本物理概念,并掌握了其计算方法

 

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大学物理实验报告专业班级:自动化 0222 姓 学 日 名

*******号:08033333333 期:2009.11.28 大学物理实验实验设计思想和实现方法(1)基本原理 转动惯量的测量,基本实验方法是转换测量,使物体以一定的形式运动,通过表征这 种运动特征的物理量与转动惯量的关系,进行转换测量. 实验中采用扭摆法测量不同形状物体的转动惯量,就是使物体摆动,测量摆动周期, 通过物体摆动周期 T 与转动惯量 I 的关系 T = 2π (2)间接比较法测量,确定扭转常数 K 已知标准物体的转动惯量 I1,被测物体的转动惯 量 I0;被测物体的摆动周期 T0,标准物体的摆动周期 T1.通过间接比较法可测得I 来测量转动惯量. kI 0 = I1也可以确定出扭转常数 KT02 T12 T02k = 4π 2I1 T T022 1扭摆的构造1-垂直轴,2-蜗簧,3-水平仪定出仪器的扭转常数 k 值,测出物体的摆动周期 T, 就可计算出转动惯量 I. (3) "对称法"验证平行轴定理 平行轴定理:若质量为 m 的物体(小金属滑块)绕通过质心轴的转动惯量为 I0 时,当 转轴平行移动距离 x 时,则此物体的转动惯量变为 I0+mx2.为了避免相对转轴出现非对称 情况,由于重力矩的作用使摆轴不垂直而增大测量误差.实验中采用两个金属滑块辅助金 属杆的对称测量法,验证金属滑块的平行轴定理.这样,I0 为两个金属滑块绕通过质心轴 的转动惯量,m 为两个金属滑块的质量,杆绕摆轴的转动惯量 I 杆,当转轴平行移动距离 x 时(实际上移动的是通过质心的轴) ,测得的转动惯量 I=I 杆+I0+mx2 两个金属滑块的转动惯量 Ix=I-I 杆=I0+mx2 (4)光电转换测量周期 光电门和电脑计数器组成光电计时系统,测量摆动周期.光电门(光电传感器)由红 外发射管和红外接受管构成,将光信号转换为脉冲电信号,送入电脑计数器测量周期(计 数测量时间) .-1- 转动惯量的测定实验名称 实验时间 实验类别 指导老师一.实验目的用扭矩摆法测定物体转动惯量 2009.12.1 设计性实验 实验地点 温度 成 18℃ 绩 物理实验室 302 湿度 54%RH1. 学习用扭矩摆法测定物体转动惯量的基本原理. 2. 熟悉掌握 TH-I 型智能转动惯量实验仪的原理,使用方法. 二.实验仪器 扭摆,转动惯量测试仪,金属载物盘,塑料圆柱体,金属细杆,天平,砝码,游标卡 尺,钢尺. 1.扭摆及几种有规则的待测转动惯量的物体 实心塑料圆柱体,验证转动惯量平行轴定理用的金属细杆,杆上有两块可以自由移动 的金属滑块. 2.转动惯量测试仪 由主机和光电传感器两部分组成. 主机采用新型的单片机作控制系统,用于测量物体转动和摆动的周期,以及旋转体的 转速,能自动记录,存贮多组实验数据并能够精确地计算多组实验数据的平均值. 光电传感器主要由红 外 发射管和 红外接 收管组 成,将光信号转换为脉冲电 信号,送入主机工作.因人 眼无法直接观察仪器工作是 否正常,但可用遮光物体往 返遮挡光电探头发射光束通 路,检查计时器是否开始计 时和到预定周期数时,是否 停止计时.为防止过强光线 对光探头的影响,光电探头不能置放在强光下,实验时采用窗帘遮光,确保计时的准确. TH-I 型智能转动惯量实验仪的使用方法

(1)调节光电传感器在固定支架上的高度,使被测物体上的挡光杆能自由地通过光电 门,再将光电传感器的信号传输线插入主机输入端(位于测试仪背面) . (2)开启主机电源, "摆动"指示灯亮,参量指示"P1" ,数据显示为"一―――" . , (3)本机默认设定扭摆的周期数为 10,如要更改,按"置数"键,显示"n=10" 按"上调"键,周期数依次加 1,按"下调"键,周期数依次减 1,周期数只能在 1~20 范-2- 大学物理实验围内任意设定,再按"置数"键确认,显示"F1 end" ,周期数一旦予置完毕,除复位和再 次置数外,其它操作均不改变予置的周期数,但更改后的周期数不具有记忆功能,一旦切 断电源或按"复位"键,便恢复原来的默认周期数. (4)按"执行"键,数据显示为"000.0" ,表示仪器己处在等待测量状态,此时,当 被测的往复摆动物体上的挡光杆第一次通过光电门时,仪器即开始连续计时,直至仪器所 设定的周期数时,便自动停止计时,由"数据显示"给出累计的时间,同时仪器自行计算 周期 C1 予以存贮,以供查询和作多次测量求平均值,至此,P1(第一次测量)测量完毕. (5)按"执行"键, "P1"变为"P2" ,数据显示又回至"000.0" ,仪器处在第二次待 测状态,本机设定重复测量的最多次数为 5 次,即(P1,P2…P5) .通过"查询"键可知多 次测量的周期值 Ci, (i=1,2…5)以及它的平均值"CA" . 3. 数字式电子台秤 数字式电子台秤是利用数字电路和压力传感器组成的一种台秤.本实验所用的台秤, 称量为 1.999kg,分度值为 1g,仪器误差为 1g.使用前应检查零读数是否为"0" .若显示 值在空载时不是"0"值,可以调节台秤右侧方的手轮,使显示值为"0" .物体放在称盘上 即可从显示窗直接读出该物 体的重量 (近似看作质量 m) , 最后一位出现±1 的跳动属 正常现象. 4.游标卡尺 三.实验原理 扭摆的构造如图(1)所示,在垂直轴 1 上装有一根薄片状的螺旋弹簧 2,用以产生恢 复力矩.在轴的上方可以装上各种待测物体.垂直轴与支座间装有轴承,以降低磨擦力矩. 3 为水平仪,用来调整系统平衡. 将物体在水平面内转过一角度 θ 后,在弹簧的恢 复力矩作用下物体就开始绕垂直轴作往返扭转运动. 根据虎克定律,弹簧受扭转而产生的恢复力矩 M 与所 转过的角度θ成正比,即 M=-Kθ (1)式中,K 为弹簧的扭转常数,根据转动定律 M=Iβ 式中,I 为物体绕转轴的转动惯量,β为 角加速度,由上式得β=2 令ω =M I(2)图 (1)KI,忽略轴承的磨擦阻力矩,由式(1)(2)得 ,β =d 2θ K = θ = ω 2θ 2 dt I上述方程表示扭摆运动具有角简谐振动的特性,角加速度与角位移成正比,且方向相 反.此方程的解为:-3- 转动惯量的测定θ=Acos(ωt+φ) 式中,A 为谐振动的角振幅,φ为初相位角,ω为角速度,此谐振动的周期为I (3) K 由式(3)可知,只要实验测得物体扭摆的摆动周期,并在 I 和 K 中任何一个量已知时 T=2πω= 2π即可计算出另一个量. 本实验用一个几何形状规则的物体, 它的转动惯量可以根据它的质量和几何尺寸用理 论公式直接计算得到,再算出本仪器弹簧的扭转常数 K 值.若要测定其它形状物体的转动 惯量,只需将待测物体安放在本仪器顶部的各种夹具上,测定其摆动周期,由公式(3)即 可算出该物体绕转动轴的转动惯量. 理论分析证明, 若质量为 m 的物体绕通过质心轴的转动惯量为 IO 时, 当转轴平行移动 距离 x 时,则此物体对新轴线的转动惯 量变为 IO+mx . 这称为转动惯量的平行 轴定理.2四.实验内容 1. 熟悉扭摆的构造及使用方法, 以 及转动惯量测试仪的使用方法. 2. 测定扭摆的扭转常数 (弹簧的扭 转常数)K. 3. 测定塑料圆柱体与金属细杆的转 动惯量. 并与理论值比较, 求百分误差. 4. 改变滑块在金属细杆上的位置,验证转动惯量平行轴定理. 四.实验步骤 1.用游标卡尺测出实心塑料圆柱体的外径 D1,金属细杆长度 L;用数字式电子台秤 测出各物体质量 m. 2.调整扭摆基座底脚螺丝,使水平仪的气泡位于中心. 3.在转轴上装上对此轴的转动惯量为 IO 的金属载物圆盘,并调整光电探头的位置使 载物圆盘上的挡光杆处于其缺口中央且能遮住发射,接收红外光线的小孔,并能自由往返 的通过光电门.测量 10 个摆动周期所需要的时间 10T0. 4. 将转动惯量为 I1 的塑料圆柱体放在金属载物圆盘上,则总的转动惯量为 IO+I1. 测量 10 个摆动周期所需要的时间 10T1.由式(3)可得出 则弹簧的扭转常数T0 I0 = T1 I 0 + I 1'或I0 T 02 = 2 I 1' T 1 T 0 2-4- 大学物理实验K = 4π 2I1′ T T02 -22 12=(4)在 SI 制中 K 的单位为 kgm s (或 Nm). 5.取下塑料圆柱体,装上金属细杆,使金属细杆中央的凹槽对准夹具上的固定螺丝, 并保持水平.测量 10 个摆动周期需要的时间 10T4. (在计算金属细杆的转动惯量时,应扣 除夹具的转动惯量 I 夹具) . 6.验证转动惯量平衡轴定理 将金属滑块对称放置在金属细杆两边的凹槽内,如图(2)所示,此时滑块质心与转轴 的距离 x 分别为 5.00cm,10.00cm,15.00cm,20.00cm,25.00cm,测量对应于不同距离时的 5 个摆动周期所需要的时间 10T.验证转动惯量平行轴定理. (在计算转动惯量时,应扣除夹具的转动惯量 I 夹具) .五.数据记录与处理 1.弹簧扭转常数 K 和各物体转动惯量 I 的确定,数据记录,弹簧扭转常数1 I1′ = mD12 8 K = 4π 2 I1′ T T02 1 2 AT =2 1 10 ∑( Xi X ) 9 i =1 B = 0.001( s )TT = ( AT )2 + ( BT ) 2 2T0 E= T 0K = E i K K = K ± K 2T1 m 2 2 D1 + + + T1 m D1 2 222.金属载物圆盘的转动惯量-5- 转动惯量的测定IO =I1′T O T1 T O2 223.塑料圆柱的转动惯量1 I1′ = mD12 8 KT 1 I1 = I0 4π 22E1 =I1′ I1 × 100% I1′4.金属细杆的转动惯量′ I2 = I2 =1 mL2 12 K 2 T 2 I 夹具 4π 2 ′ I2 I2 × 100% ′ I2E2 =5.转动惯量平衡轴定理的验证,数据记录.I=K 2 T 4π 2′ ′ I ′ = I 2 + I 5 + 2mx 2 E0 = I′ I ×100% I′六.实验注意事项 1.弹簧的扭转常数 K 值不是固定常数,它与摆动角度略有关系,摆角在 90 右基本相 同,在小角度时变小. 2.弹簧有一定的使用寿命和强度,千万不要随意玩弄弹簧,为了降低实验时由于摆 动角度变化过大带来的系统误差,在测定各种物体的摆动周期时,摆角不宜过小,也不宜 过大,摆幅也不宜变化过大. 3.光电探头宜放置在挡光杆平衡位置处,挡光杆不能和它相接触,以免增大摩擦力 矩.o-6- 大学物理实验4.机座应保持水平状态. 5.安装待测物体时,其支架必须全部套入扭摆主轴,并将止动螺丝旋紧,否则扭摆 不能正常工作. 6.在称木球与金属细杆的质量时,必须分别将支座和夹具取下,否则将带来极大误 差.附 录金属细杆夹具转动惯量实验值I 夹具K 2 3.567 × 102 = 2 T I0 = × 0.7412 4.929 × 104 = 0.321× 10 4 kgm2 2 4π 4π二滑块绕通过滑块质心转轴的转动惯量理论值1 1 ′ I 5 = 2 m ( D外2 + D内2 ) = 2 × 239 × ( 3.502 + 0.602 ) × 104 8 8 = 0.753 × 10 4kgm 2测单个滑块与载物盘转动周期 T=0.767S 可得到:I=K 2 3.567 × 102 T IO = × 0.767 2 4.929 × 104 = 0.386 ×10 4 kgm2 2 2 4π 4πI 5 = 2 I = 0.772 ×10 4 kgm2-7- 转动惯量的测定数据记录与处理1.弹簧扭转常数 K 和各物体转动惯量 I 的确定,数据记录,弹簧扭转常数1 I1′ = mD12 = 8.93 × 104 8( kg im )2K = 4π 2I1′ T T2 1 2 0= 8.36 ×10 2 AT =02 1 5 ∑ (T0i T0 ) = 0.04 ( s ) 4 i =1 BT = BT = 0.001( s )0 1T0 = ( AT ) 2 + ( BT ) 2 = 0.04 ( s )0 0 AT =11 5 ∑ T1i T1 4 i =1()2= 0.03 ( s )T1 = ( AT )2 + ( BT ) 2 = 0.03 ( s )1 1 2T0 E= T0 2T1 m 2 2 D1 + + = 13% + T1 m D1 2 2 2K = E i K = 1.1× 10 2 ( N m ) K = K ± K = ( 8.4 ± 1.1) × 102 ( N m )2.金属载物圆盘的转动惯量IO =I1′T O T T2 1 2 O2= 9.72 × 10 4 ( kg m 2 )3.塑料圆柱的转动惯量-8- 大学物理实验1 I1′ = mD12 = 8.93 × 104 82( kg im )2KT 1 I1 = I 0 = 8.88 × 104 ( kg im 2 ) 2 4πE1 = I1′ I1 × 100% = 0.6% I1′4.金属细杆的转动惯量′ I2 = I2 =1 m2 L2 = 4.22 × 103 ( kg m2 ) 12 K 2 T 2 I 夹具 = 7.84 × 103 ( kg m 2 ) 2 4π ′ I2 I2 × 100% = 86% ′ I2E2 =5.转动惯量平衡轴定理的验证.X (10 2 m)T (S)5.00 2.124- 210.00 2.82015.00 3.14220.00 3.72725.00 4.725实 验 值 ( 10 2 kgm ) K I = T2 2 4π 理论值(10 2 kgm )0.9561.682.072.944.73-20.551291.21.512.363.44′ ′ I ′ = I 2 + I 5 + 2 mx作 Ix~x 图线,如下图所示. Ix 与 x2 的线性拟合关系为 Ix=0.0482x2+4.30 其中单位的 Ix 为 10-3kg.m2;x2 的为 10-4m2.2-9- 转动惯量的测定40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 3002Ix=0.0482x2+4.30I x /×10 kg.m-32400-4 2500600700x /×10 m验证平行轴定理I x~x 2图线根据图线可知,Ix 与 x2 成线性关系,实验结果与平行轴定理相符,验证了平行轴 定理.- 10 - 大学物理实验实验总结现在,学生的动手能力越来越被人们重视,这次设计性实验恰好给了我们锻炼的 机会.实验是检验理论正确与否的试金石.为了要使你的理论被人接受,你必须用事 实(实验)来证明,让那些怀疑的人哑口无言.虽说我们的物理实验只是对前人的经 典实验的重复,但是对于一个知识尚浅,探索能力还不够的人来说,这些探索也非一 件易事.物理实验都是一些经典的给人类带来了难以想象的便利与财富.对于这次实 验,我在探索中学习,在模仿中理解,在实践中掌握.物理实验让我慢慢开始"摸着 石头过河".学习就是为了能自我学习,这正是实验课的核心,它让我在探索,自我 学习中获得知识.物理实验教会了我处理数据的能力.实验就有数据,有数据就得处 理,这些数据处理的是否得当将直接影响你的实验成功与否. 在物理实验中,影响物理实验现象的因素很多,产生的物理实验现象也错综复杂. 我们小组通过精心设计实验方案,严格控制实验条件等多种途径,以最佳的实验方式呈 现物理问题,使我们通过努力能够顺利地解决物理实验呈现的问题,考验了我们的实际 动手能力和分析解决问题的综合能力,加深了我们对有关物理知识的理解. 在这次转动惯量测定的实验中,由于测量仪器,实验条件,测量方法以及人为因 素的局限,测量是不可能无限精确的,测量结果与客观存在的真值之间总是存在着测 量误差.误差来源是多方面的.实验中直接测的物理量有金属载物盘,塑料圆柱体, 金属细杆的质量, 几何尺寸和相应的周期, 通过多次测量求平均值的方法来减小误差. 塑料圆柱体,金属细杆的转动惯量的实验值与理论值比较,计算得到百分误差来衡量 测量结果的优劣. 实验过程中,弹簧的扭转常数 K 值不是固定常数,它与摆动角度略有关系,摆角 在 90o 右基本相同,在小角度时变小.为了降低实验时由于摆动角度变化过大带来的 系统误差,在测定各种物体的摆动周期时,摆角不宜过小,也不宜过大,摆幅也不宜变 化过大.光电探头宜放置在挡光杆平衡位置处,挡光杆不能和它相接触,以免增大摩 擦力矩.机座应保持水平状态.安装待测物体时,其支架必须全部套入扭摆主轴,并 将止动螺丝旋紧,否则扭摆不能正常工作. 总之,这次物理设计性实验让我收获颇丰,同时也让我发现了自身的不足.在实 验课上学得的,我将发挥到其它中去,也将在今后的学习中不断提高,完善;在此间 发现的不足,我将努力改善,通过学习,实践等方,克服那些不应成为学习,获得知 识的障碍.在今后的学习中有更大的收获!- 11 -