FDTMB型 切变模量与转动惯量及实验数据.docx
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FDTMB型切变模量与转动惯量及实验数据
切变模量与转动惯量实验仪
（扭摆）
说
明
书
上海复旦天欣科教仪器有限公司
FD-TM-B切变模量与转动惯量实验仪（扭摆）
一、概述
材料在弹性限度内应力同应变的比值是度量物体受力时变形大小重要参量。
正应力同线应变的比值，称杨氏模量;剪应力同剪应变的比值，称剪切弹性模量，简称切变模量。
杨氏模量和切变模量在机械、建筑、交通、医疗、通讯等工业领域的工程设计及机械材料的选用中有着广泛的应用。
本扭摆实验仪具有以下特点：
1、金属丝下端爪手（旧仪器用圆盘）经精心设计。
环状刚体可水平和垂直两种状态绕同一转轴摆动，还可安放其它形状钢体（如条状等）扭摆摆动平稳可靠。
2、用磁钢配霍耳开关与数字式计数计时仪测量扭摆振动周期。
可查阅每半个周期时间，确定最佳测量周期数，周期测量准确度高。
3、由于材料切变模量测量的各参量:
周期、转动惯量、样品直径与线长均可精确测量和计算，所以实验结果准确度高。
4、本实验仪器可测钢体（如环）绕不同转轴的转动惯量，有利于加深学生对转动惯量概念的深入理解。
本仪器可用于高校基础物理实验和设计性研究性实验，也可用于演示实验。
二、仪器组成和技术指标
1、爪手：
长11cm，宽1.6cm。
顶部带夹具。
环状钢体可水平和垂直放置在爪盘上绕轴扭转。
2、环状刚体。
内径8.0cm，外径11.0cm。
3、待测材料：
钢丝和铜丝。
直径0.4cm。
4、集成霍耳开关传感器1只，直流电源工作电压5V。
5、铷铁硼小磁钢1只
6、可调节水平的三角座支架1个。
支架上带夹具。
7、数字式计数计时仪1台。
最大计数次数80次，计时范围0－255.99S，分辩率0.01S。
二、
1、爪手 2、环状刚体 3、待测材料 4、霍耳开关 5、铷铁硼小磁钢 6、底座 7、数字式计数计时仪 8、标志旋钮 9、扭动旋钮
9
仪器装置简图
四、仪器使用方法
1、取下仪器上端夹头，并把它拧松，将钢丝一端插入夹头孔中，然后把夹头拧紧，再把夹头放回横梁上。
用同样的方法，把钢丝的下端固定在爪手的夹头上。
2、转动上端的“扭动旋钮”（9）使爪手一端的铷铁硼小磁钢（5）对准固定在立柱上的霍耳开关（4）。
同时调整霍耳开关的位置，使之高度与小磁钢一致。
3、调节立柱的两个底脚螺丝。
使小磁钢靠近霍耳开关，并使它们之间相距为8毫米左右。
4、转动横梁上的“标致旋钮”（8），使它的刻线与“扭动旋钮”（9）上的刻线相一致。
当旋转“扭动旋钮”（9）一个角度后，即刻又恢复到起始位置。
此时爪手将绕钢丝作摆动。
5、爪手有多种功能。
圆环可水平放在爪手上面作振动。
也可以垂直装在爪手下面作振动。
爪手还可以安置条形棒或柱形棒作振动，以测得不同的周期值，并求出钢丝材料的切变模量或刚体的转动惯量。
五、数字式计数计时仪使用
1、开启电源开关，使仪器预热10分钟。
2、按住上升键，使预置计数值达到实验要求。
3、使爪手作扭转振动。
当铷铁硼小磁钢靠近霍耳开关约1.0cm距离时，霍耳开关将导通，即产生计时触发脉冲信号。
4、数字式计数计时仪有延时功能。
当扭摆作第一周期振动时，将不计时，计数为0。
当计数显示1时，才显示计时半个周期。
5、计数计时结束，可读出由于爪手振动在霍耳开关上产生计时脉冲的计数值和总时间，其中计数2次为一个周期。
要查阅每半个周期时间，只要按一次下降键即可。
六、使用注意事项
1、本仪器为物理实验教学仪器。
建议学生在计时操作时，按秒表计时和数字式计数计时仪计时同时使用和纪录数据，这样既可加强手按秒表计时训练，又可以掌握先进的计数计时技术，也可比较计时结果有利于误差分析。
2、请勿用手将爪手托起又突然放下，铁制爪手自由下落冲力易将钢丝或铜丝拉断（往往在钢丝与扎头连接处断）。
3、实验结束请将环放在桌上，以减轻钢丝员重。
4、材料的切变模量与杨氏模量相似，与材料的成份、热处理工艺等均有关。
如用树脂漆包线测得切变模量与纯铜丝的切变模量不相同。
各种钢丝加工、热处理工艺不相同，切变模量也差异很大。
5、如果当磁钢靠近霍耳开关时，此时触发指示灯无反应时则是磁钢的磁极放反了，取下来换个方向，就可以了。
（此时触发指示灯为暗）
扭摆法测量材料的切变模量和转动惯量
（复旦大学物理实验中心协助提供）
材料在弹性限度内应力同应变的比值是度量物体受力时变形大小重要参量。
正应力同线应变的比值，称为杨氏模量；剪应力同剪应变的比值，称剪切弹性模量，又简称切变模量。
与杨氏模量相似，切变模量在机械、建筑、交通、医疗、通讯等工业领域的工程设计及机械材料选用中有着广泛的应用。
从机械转轴、机械与部件的连接直至建筑物抗震等性能都与切变模量参量有关。
本实验用扭摆法测量钢丝及铜丝材料的切变模量，了解测量材料切变模量的基本方法，掌握基本长度和时间测量仪器的使用方法同时还可以用扭摆法测量各种形状刚体绕同一轴转动的转动惯量以及同一刚体绕不同轴转动的转动惯量，加深对转动惯量的概念及测量方法的理解。
原理
图1
设有某一弹性固体的一个长方形体积元，它的底面固定，如图1所示。
在它顶面A上作用着一个与平面平行而且均匀分布的切力F，在这个力作用下，两个侧面将转过一定角度，通常称这样一种弹性形变为切变。
在切变角小的情况下，作用在单位面积上的切力F/A与切变角成正比
（1）
式中A为受切力的面积，G是一个物质常数，称切变模量。
G的单位为N/m2，大多数材料的切变模量约是杨氏模量
到
。
由
（1）式可知，G值大，表示该材料在受外力作用时，其切变角小。
在实验中，待测样对象是一根上下均匀而细长的钢丝或铜丝，从几何上说，就是一个细长圆柱体，如图2所示。
设圆柱体的半径为R，高为L，其上端固定，下端面受到一个外加扭转力矩的作用｛即沿着圆面上各点的切向施加外力，于是圆柱体中各体积元（取半径为r、厚为dr的圆环状柱体为体积元）均发生切胁变。
总的效果是圆柱体下端面绕中心轴线OO/扭转了一个Φ0角，也即底周上的P点转至P/位置。
因为圆柱体很长，各体积元均能满足α<<10的条件，利用关系式∠α＝RΦ0及
（1）式，通过积分可求得如下关系式：
R
Φ0
M外＝
G
Φ0
（2）
L
其中M外为外力矩。
设圆柱体内部的反向弹性力矩为M0，在平衡时则有M0＝－M外，可见M0＝－
G
Φ0；令D＝
G
则有M0＝－DΦ0（3）
对于一定的物体（如上述钢丝），D是常数，称为扭转系数。
扭摆的结构如图3所示，爪手及圆环安放位置如图4所示。
图3
d
若使爪手绕中心轴转过某一角度Φ0，然后放开，则爪手将在钢丝（或铜丝）弹性扭转力矩M作周期性的自由振动，这就是构成一个扭摆。
如钢丝（或铜丝）在扭转振动中的角位移以Φ表示，若爪手整个装置对其中心轴的转动惯量为I0，根据转动定律则有
M=-DΦ=I0
即
＋
=0
此方程是一个常见的简谐振动微分方程，它的振动周期应是T0=2π
（4）
图3
由图4所示，将一个已知内外径、厚度和质量的环状刚体、分别水平放在爪手上及垂直放在爪手上，绕同一轴（钢丝）转动测得的振动周期分别为T1和T2。
而环状刚体在绕轴（钢丝）作水平振动时转动惯量为I1，环状刚体处于垂直状态绕同一轴作振动时转动惯量为I2，爪手绕轴振动转动惯量为I0，那么由（4）式可知，
T12=
;T22=
将此两式相减可消去I0得：
T12-T22=
（5）
而D＝
G
，所以（5）式可写成切变模量G为G=
（6）
由理论推导可知，环状刚体绕中心轴作水平振动得转动惯量I1为I1=M
（7）
（7）式中，b为环的内径，c为环的外径，M外环的质量。
而环状刚体处于垂直方向绕同一轴振动的转动惯量I2为I2=M（
）（8）
（8）式中，d为环状刚体的厚度。
转动惯量的平行轴定理
理论分析证明，若质量为M的物体绕质心轴的转动惯量为IO，若转轴平行移动距离为X时，则物体对新轴转动惯量为I=IO+Mx2（9）
垂直轴定理
若已知一块薄板（或薄环）绕位于板（或环）上相互垂直轴（x和y轴）的转动惯量为Ix和Iy，则薄板（或环）绕Z轴的转动惯量为Iz=Ix+Iy （10）
此即垂直轴定理，由此定理可知：
圆盘（或环）通过中心且垂直盘面的转轴的转动惯量为圆盘绕其直径的转动惯量的两倍。
1、爪手 2、环状刚体 3、待测材料 4、霍耳开关 5、铷铁硼小磁钢 6、底座 7、数字式计数计时仪 8、标志旋钮 9、扭动旋钮
9
实验仪器
实验内容
必做实验：
测量钢丝的切变模量。
1、用物理天平或电子天平称圆环的质量。
游标卡尺测圆环内径b、外径c和高度d;千分尺测量钢丝直径2R。
2、在爪盘上端将钢丝夹紧，夹紧支点为Ｏ/;钢丝上端通过夹具固定在支架上（支点为Ｏ），使爪盘悬起。
用米尺测量钢丝ＯＯ/间距L。
3、由于钢丝很长，容易满足α<<10的条件，实验时扭摆的自由振动时的角振幅Φi可以取很大例如2π等。
将环状刚体水平放置在爪手上，用手转上夹具某一角度，再回到原来位置，使爪手与水平环作周期振动。
用霍耳开关计数计时仪和秒表两种方法测量爪手加水平环时刚体振动周期T1。
4、同样用霍耳开关计数计时仪和秒表计时测量爪手加垂直环时刚体振动周期T2。
5、计算钢丝的切变模量G。
并将秒表测量结果和霍耳开关计时仪测量结果进行比较。
选做实验：
1、测量铜丝的切变模量，并与钢丝切变模量进行比较。
2、用扭摆测量柱状刚体的绕钢丝轴转动惯量，并与理论计算值进行比较。
实验数据例（仅供参考）
1、试样参数测量
表一 圆环、方柱、圆柱和小球的几何尺寸测量
测量次数
圆环外直径/cm
圆环内直径/cm
方柱长度
/cm
圆柱长度
/cm
小球的直径/cm
1
10.992
7.974
11.998
11.990
2.000
2
10.990
7.990
12.006
11.998
2.000
3
10.990
7.984
11.996
11.990
2.000
4
10.992
7.992
12.000
11.992
2.000
5
10.994
7.970
12.000
11.990
2.000
平均值
10.992
7.982
12.000
11.990
2.000
表二 测量试样的质量，计算转动惯量
试样
圆环
方柱
圆柱
小球
质量/g
554.69
312.26
187.13
32.63
转动惯量理论值/kgm2
1.280×10-3
3.747×10-4
2.242×10-4
1.658×10-4
2、琴钢丝和黄铜丝材料切变模量的测量
表三 琴钢丝材料的切变模量 （N=20,t=10T）
第一次空载时间/s
54.39
54.85
63.33
63.65
第二次空载时间/s
54.41
54.91
63.39
63.54
平均空载周期/s
5.440
5.488
6.336
6.359
第一次圆环水平放置/s
137.39
137.88
159.25
159.46
第二次圆环水平放置/s
137.47
137.80
159.43
159.35
平均周期/s
13.743
13.784
15.934
15.941
钢丝半径/mm
0.200
0.200
0.200
0.200
钢丝长度/cm
61.6
61.6
82.8
82.8
钢的切变模量/N/m2
7.776×1010
7.747×1010
7.789×1010
7.792×1010
故，琴钢丝材料的切变模量n=（7.776×1010+7.747×101+07.789×1010+7.792×1010）/4=7.776×1010N/m2。
该琴钢丝材料的切变模量公认值为7.80×1010,两者偏差约为千分之三。
表四 黄铜丝材料的切变模量 （N=20,t=10T）
第一次空载时间/s
96.22
96.27
96.28
96.21
第二次空载时间/s
96.10
96.32
96.60
96.45
平均空载周期/s
9.616
9.6295
9.644
9.633
第一次圆环水平放置/s
243.62
243.43
243.50
243.24
第二次圆环水平放置/s
243.56
243.50
243.50
243.93
平均周期/s
24.359
23.3465
24.350
24.358
铜丝半径/mm
0.200
0.200
0.200
0.200
铜丝长度/cm
77.6
77.5
77.5
77.5
铜的切变模量/N/m2
3.115×1010
3.116×1010
3.117×1010
3.113×1010
故，黄铜丝材料的切变模量n=（3.115×1010+3.116×1010+3.117×1010+3.113×1010）/4=3.115×1010N/m2。
该黄铜丝材料的切变模量公认值为3.12×1010,两者偏差约为千分之二。
3、方柱、圆柱的转动惯量测量
表五 圆柱和方柱用琴钢丝测得的转动惯量 （N=20,t=10T）
载物所用时间/s
平均周期/s
空载所用时间/s
平均周期/s
钢丝长度/cm
理论转动惯量值/kgm2
实际转动惯量值/kgm2
误差℅
圆柱
88.21
8.821
63.39
6.339
82.5
2.242×10-4
2.259×10-4
0.8
方柱
101.58
10.158
63.33
6.333
82.5
3.747×10-4
3.785×10-4
1.0
表六 圆柱和方柱用黄铜丝测得的转动惯量 （N=20,t=10T）
载物所用时间/s
平均周期/s
空载所用时间/s
平均周期/s
钢丝长度/cm
理论转动惯量值/kgm2
实际转动惯量值/kgm2
误差℅
圆柱
134.83
13.483
96.44
9.644
77.5
2.242×10-4
2.272×10-4
1.3
方柱
155.68
15.568
96.44
9.644
77.5
3.747×10-4
3.822×10-4
2.0
4、用测钢丝及铜丝扭转系数的方法，测量球及环的转动惯量，验证平行轴定理和 垂直轴定理
表七 钢丝验证垂直轴定理 （N=20,t=10T）
测量次数
空载时间/s
竖直放置时间/s
钢丝长度/cm
钢丝半径/mm
理论转动惯量值/kgm2
实际转动惯量值/kgm2
误差℅
1
63.65
121.82
82.8
0.200
6.400×10-4
6.454×10-4
0.8
2
63.54
121.81
平均周期
6.3595
121.1815
表八 钢丝验证平行轴定理 （N=20,t=10T）
测量次数
空载时间/s
载球时间/s
钢丝长度/cm
钢丝半径/mm
理论转动惯量值/kgm2
实际转动惯量值/kgm2
误差℅
1
63.45
82.51
82.8
0.200
1.658×10-4
1.664×10-4
0.4
2
63.42
82.50
平均周期
6.344
8.250
表九 铜丝验证垂直轴定理 （N=20,t=10T）
测量次数
空载时间/s
竖直放置时间/s
铜丝长度/cm
铜丝半径/mm
理论转动惯量值/kgm2
实际转动惯量值/kgm2
误差℅
1
96.29
187.03
77.5
0.200
6.400×10-4
6.570×10-4
2.6
2
96.41
186.92
平均周期
9.635
18.698
圆环绕轴水平转动的转动惯量为1.280×10-3kgm2,实测同一圆环绕垂直放置（轴通过圆心），转动时转动惯量Ｉ⊥=6.570×10-4kgm2,两者百分差为2.6℅,这验证了垂
直轴定理。
表十 铜丝验证平行轴定理 （N=20,t=10T）
测量次数
空载时间/s
载球时间/s
铜丝长度/cm
铜丝半径/mm
理论转动惯量值/kgm2
实际转动惯量值/kgm2
误差℅
1
96.20
125.29
77.5
0.200
1.658×10-4
1.64×10-49
0.5
2
96.35
125.42
平均周期
9.628
12.536
实验注意事项：
1、用秒表计时应该测量周期数应大于50次振动时间，然后求出周期值。
这样可以减少手控秒表引入的随机误差。
2、用霍耳开关计数计时仪测量扭摆振动周期，注意扭摆应只作扭转振动，爪手等不可作左右或前后幌动。
3、霍耳开关计数计时仪可查阅每次振动半个周期数值，以了解扭摆振动受空气阻力而周期衰减情况，以确定最佳计时振动次数。
4、实验前应先调节仪器底座螺丝，此时爪手侧面上的铷铁硼磁钢与柱上的霍耳开关的距离约为8毫米左右，（霍耳开关截止和导通最佳距离）此时仪器指示灯为灭状态。
5、霍耳开关计数计时仪应预热10分钟左右后再开始计时。
思考题：
1、如果扭摆的角振幅为2π，根据钢丝的长度和直径估算一下，实验是否满足α<<10的条件？
（对于圆柱表面层，PP//L=α）
2、同一个环状刚体绕不同轴转动其转动惯量为何不同？
3、由（6）式各直接测量量的不确定度分析用扭摆测量材料的切变模量主要误差是由哪些量测量引起的？
4、如何用本扭摆测量其它形状刚体的转动惯量？
参考资料：
1、贾玉润、王公冶、凌佩玲。
《大学物理实验》、上海：
复旦大学出版社，1987：
120-123
2、丁慎训、张连芳，《物理实验教程》第二版，北京：
清华大学出版社。
2002-9：
32-35
3、〔德〕威廉.H.卫斯特伐尔著.王福山译，《物理实验》，上海：
上海科学技术出版社，1981，6：
54-58
上海复旦天欣科教仪器有限公司
FD-TM-B切变模量与转动惯量实验仪（扭摆）
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序号
名称
单位
数量
备注
1
实验支架与底座
台
1
2
数字式计数计时仪
台
1
3
霍耳开关探测器
只
1
4
爪手
只
1
5
刚体圆环
只
1
6
刚体矩形棒
根
1
7
刚体圆柱形棒
根
1
8
小钢球
只
2
9
小磁钢
只
1
10
霍耳开关探测器连接线
根
1
11
细钢丝和铜丝
根
10
两种各5根
12
合格证书
份
1
13
产品说明书
本
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