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  • 1 # 使用者1844319796352

    推導平行軸定理的方法

    方法一

    剛體對任意軸的轉動慣量,等於剛體對透過質心並與該軸平行的軸的轉動慣量,再加上剛體質量與兩軸之間距離平方的乘積,此為平行軸定理.關於此定理的驗證,採用三線擺和剛體轉動實驗儀來驗證.在這裡利用復擺驗證平行軸定理的方法.

    一 實驗方法及公式推導

    一個圍繞定軸擺動的剛體就是復擺,當擺動的振幅甚小時,其振動週期 T 為

    式中J為復擺對以O 為軸轉動時的轉動慣量,m 為復擺的質量,g 為當地的重力加速度,h 為擺的支點O 到擺的質心 G 的距離. 又設復擺對透過質心 G 平行O 軸的軸轉動時的轉動慣量為 JG,根據平行軸定理得:

    而JG又可寫成 JG= m k 2,k 就是復擺的回轉半徑,由此可將⑴式改成為

    整理⑶式得:

    當 h= h1 時,I1= JG + mh12,式中h1為支點O1到擺的質心G的距離,J1是以O1為軸時的轉動慣量.同理有:

    ⑷- ⑸得:

    上式反映出轉軸位置對轉動的影響,也是對平行軸定理的檢驗.在⑹式中令 y= T2h- T12h1,x = h2-h12,則⑹式變為

    從測量可得出 n 組(x,y) 值,用最小二乘法求出擬合直線y= a+ bx及相關係數r,若r接近於1,說明x與y二者線性相關,平行軸定理得到驗證; 或作T2h- T12h1對h2-h12圖線,若到檢驗為一直線,平行軸定理亦得.

    方法二

    測量舉例

    1) 測量步驟

    a. 測定重心 G 的位置 SG

    將復擺水平放在支架的刀刃上,利用槓桿原理尋找 G 點的位置.

    b. 量出各支點對應的 h 值.

    c. 測出復擺繞各支點擺動的週期 T 擺角小於 (5°改變支點 10 次).

    2) 資料記錄

    各支點對應的 h 值及週期T見表1.

    3) 資料處理

    取 h1= 6 cm,T1= 1.51 s,根據測量資料可得出10組(x,y)值,見表2

    根據最小二乘法求出引數 a,b,得出

    a= 21×10-2 cm ·s 2,Sa = 18×1010-2 cm s 2

    b= 0. 0411s 2 ·cm-1,Sb = 0. 0005 s 2 ·cm-1

    r= 0. 999375

    u(a) = 18×10-2 cm ·s 2

    u (b) = 0. 0005 s 2 ·cm-1

    平行軸定理

    最後結果為:

    a= (21±18) ×10-2 cm ·s 2

    b= 0. 0411±0. 0005 s 2 ·cm-1

    r= 0. 999375

    從最後結果可以看出,x 與 y 二者完全線性相關,平行軸定理得到驗證.

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